ТЕЛЕВИДЕНИЕ
ТЕЛЕВИДЕНИЕ
4-е издание, стереотипное
Под редакцией профессора В.Е. Джаконии
Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Радиосвязь, радиовещание и телевидение» направления подготовки дипломированных специалистов « Телекоммуникации»
Москва Горячая линия - Телеком 2007
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее издание учебника является юбилейным и посвящает-< я 70-летию кафедры телевидения и видеотехники Санкт-Петербург-< кого государственного университета телекоммуникаций им. проф. МЛ. Бонч-Бруевича.
Кафедра телевидения и видеотехники была создана в сентябре 1937 г. Организатором её был заслуженный деятель науки и техники Р( ’ФСР, лауреат Государственной премии СССР, доктор технических паук, профессор Павел Васильевич Шмаков, руководивший кафедрой в течение 45 лет. Более 20 лет кафедру возглавлял его ученик профессор В.Е. Джакония. В настоящее время кафедрой руководит цоктор технических наук, профессор А.А. Гоголь.
С первых же лет своего существования кафедра зажила полнокровной жизнью — помимо учебной работы коллектив кафедры проводит серьезную научно-исследовательскую работу, в которую кроме научных работников и преподавателей широко вовлекаются аспиранты и студенты. Хорошо известны научные достижения кафедры в таких областях, как цветное телевизионное вещание, объемное телевидение, космическое и подземное телевидение, видеоинформационные системы и др. Успешная научно-исследовательская работа позволила кафедре подготовить многих специалистов высшей квалификации, которые трудятся во многих исследовательских и образовательных организациях многих стран мира.
Особое значение имеет работа коллектива кафедры по написанию и изданию учебно-методической литературы, используемой для подготовки телевизионных специалистов многими вузами страны. К настоящему времени учебник «Телевидение», созданный преподавателями кафедры, претерпел девять изданий (в том числе и на английском языке), одно из них было удостоено государственной премии.
Настоящее издание учебника, являющееся стереотипным, обосновывается его востребованностью. Его содержание соответствует учебнику, выпущенному издательством «Радио и связь» в 2004 г.
При написании учебника авторы руководствовались принципом <<ог простого к сложному», излагая содержание так, чтобы он облегчил читателю самостоятельную проработку материала.
I	Предисловие
V’к I>ник написан нроф. В.Е. Джакония (введение, гл. 1, 16, 18, ?I), и|м><|) Л Л. Гоголем (предисловие, гл. 4 совместно с В.И. Лисо-। у рек им, гл. 7 совместно с Н.А. Ерганжиевым, гл. 22), доц. Я.В. Дружным (। л. X, 17, 19), доц. Н.А. Ерганжиевым (гл. 6, гл. 7 совместно < АЛ. Гоголем, гл. 10, 11), нроф. С.Э. Коганером (гл. 5, 9, 12), доц. II М Копыловым (гл. 3, 20), доц. В.И. Лисогурским (гл. 2, гл. 4 совмести с Л.Л. Гоголем, гл. 15), дон. О.В. Украинским (гл. 13, 14).
Коллектив авторов выражает надежду, что настоящий учебник вносе । носильную лепту в воспитание отечественных высококвалифицированных телевизионных специалистов.
К ЧИТАТЕЛЮ
Этот популярный и признанный в широкой аудитории по предыдущим изданиям учебник вышел в свет, когда уже не стало его научного редактора и старейшего соавтора Владимира Ермилевича Джаконии, заслуженного работника Высшей школы, лауреата Государственной премии, профессора, заведующего кафедрой телевидения и видеотехники Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Всю свою жизнь наш замечательный коллега и товарищ способствовал телевизионному прогрессу в нашей стране, приложив и отдав все силы в научные разработки на важнейших этапах развития телевидения. Большой педагогический дар, самоотверженность и глубочайшая интеллигентность оставили незабываемый след в памяти и душах его студентов, многочисленных аспирантов и коллег, работавших и общавшихся с ним.
Владимир Ермилевич Джакония, достойный и ответственный ученик и последователь П.В. Шмакова, умело и авторитетно руководил и укреплял старейшую в стране кафедру телевидения, сохраняя замечательный климат доброжелательности и товарищества в коллективе.
Переиздаваемый с завидной и оперативной периодичностью, все-|да обновляемый и перерабатываемый учебник «Телевидение» в каждом издании успешен, и своей востребованностью свидетельствует о высоком творческом потенциале его научного редактора и автори-кчг кафедры, его создававшей.
Отдавая заслуженную дань уважения оставившему нас коллеге и товарищу, мы уверены, что лучшей памятью ему будет сохранение кафедральной традиции в создании современных учебников, необхо-чимых для воспитания отечественных телевизионных специалистов.
Р.Е. Быков. профессор, доктор технических наук, М.А. Грудзинский, профессор, доктор технических наук
ВВЕДЕНИЕ
Термин «телевидение» (telesion) впервые ввел в научный оборот на IV Международном электротехническом конгрессе 1900 г. в Париже русский военный инженер К.Д. Перский в обзорном докладе под названием «Телевидение как электрическое кино» (Television an moyen de I’eiectrisite).
Телевидением мы называем область современной радиоэлектроники, которая занимается изучением вопросов передачи и приема движущихся и неподвижных изображений предметов, расположенных в пространстве, электрическими средствами связи в реальном и измененном масштабе времени.
В общем виде задача телевидения состоит в дистанционном отображении в сознании людей явлений и событий, информация о которых поступает к нам в зрительном и звуковом виде. При этом для полноты восприятия желательно задействовать весь арсенал человеческих чувств, однако решение задачи в таком объеме было бы весьма затруднительно и экономически нецелесообразно. Но и без этого телевидение существенно расширяет возможности человека познавать окружающий мир, позволяя наблюдать объекты на земле и под землей, на воде и под водой, в небе и космическом пространстве, при их освещении солнечными и невидимыми лучами: рентгеновскими, ультрафиолетовыми, инфракрасными, а также при облучении ультразвуковыми волнами. Эта задача телевидения решается с помощью комплекса аппаратуры для оптической проекции, преобразования, кодирования, передачи, декодирования, отображения и других операций по обработке визуальной информации.
Конечным звеном, приемным индикатором в телевидении в пода-в laioiiicM бо чыпипстве случаев служит глаз. Поэтому телевизионная । и< о-ма к» окна (‘троиться с расчетом на наш зрительный орган, ко-inpi.iM мы по( принимаем реальный мир в красках и в динамике. Эти и- и.Инг свойства зрения человек получил в процессе длитель-!1<>!<> оно к и 1111 с •<  к < )го развития. Отсюда следует, что телевизионная и* р<-сгы и.11 \ рпы\ ( поп должна завершаться их воспроизведением < с .1 in'..Hiii' ii \ к.। 11111ых cBoiiciB. Для более совершенной ориентации в up'» ip.oK iiw прироча сформировала зрительный орган в виде и |ры । и-. I •• 1'зи1 Ч1ОП11.1/1 н'хпика позволяет использовать принцип
11|«*цение
।ипюкулярного зрения для передачи рельефности предметов.
Телевидение базируется на достижениях многих смежных обла-< к‘й знания, таких как радиотехника, электроника, светотехника и । и. Вместе с тем телевидение решает частные задачи, опираясь на математику, физику, химию, теорию информации, физиологию и ряд чругих наук. Поэтому телевидение тесно связано с общим развитом науки и техники [1].
В процессе развития человеческого общества совершенствовались и средства связи. Телевидение, прежде всего как средство связи, гзкже прошло длительный путь развития: от первых нереализованных проектов через этап механических систем до современных электронных. Если учесть, что примерно 85 % информации о внешнем мире человек получает благодаря зрительному аппарату, то становится ясно, почему проблема передачи зрительной информации издавна занимала умы людей, что нашло отражение в народных преданиях, сказках, мифах и легендах.
В основе телевидения лежат три физических процесса: преобразование световой энергии из оптического изображения в электрические сигналы; передача этих сигналов по каналу связи; преобразование' принятых сигналов в оптическое изображение.
В XIX в. были сделаны открытия и изобретения для реализации всех указанных выше процессов. В 1839 г. преобразование световой энергии в электрический ток первым осуществил молодой французский физик Э. Беккерель (1820-1891) на основе открытого им же фо-। <гальванического эффекта. В 1873 г. английский инженер-электрик У Смит (1828-1891) обнаружил, что полученный в 1817 г. шведским химиком Й. Берцелиусом (1779-1848) селен обладает свойством изменять проводимость при освещении. Впоследствии это явление было названо внутренним фотоэффектом. Внешний фотоэффект — выход электронов из освещенного вещества в окружающее пространство впервые был обнаружен в 1887 г. немецким физиком Г. Герцем (IS57-1894) как побочное явление в его известных опытах по созданию электромагнитных волн. Основные законы внешнего фотоэффекта были открыты и опубликованы в 1888 г. московским физиком А Г. Столетовым (1839-1896).
Попытки передачи электростатических зарядов по проводам на-чачись в Западной Европе еще в середине XVIII в. Прообраз современного проводного канала связи мы находим в электромагнитном к-чеграфе, изобретенном в 1832 г. членом-корреспондентом Петербургской академии наук П.Л. Шиллингом (1786-1937), а канала ра-шосвязи — в изобретении А.С. Попова (1859-1906), продемонстрированном 7 мая 1895 г.
Удачные опыты по превращению электричества в свет состоя-чш в раньше открытия фотоэффекта. Так, искры во время работы • чек । ростатической машины наблюдал еще немецкий физик О. Гери-• •• ( 1602 -1686). Новые возможности открылись в 1800 г., после того

Введение
как А. Вольта (1745-1827) изобрел химический источник тока. Уже в 1802 г. петербургский физик В.В. Петров (1761-1834) сконструировал «огромную батарею» и получил устойчивую электрическую дугу, а также газоразрядное и электролюминесцентное свечение. В середине XIX в. большое распространение среди физиков получили газоразрядные трубки, названные «гейсслеровскими» по имени разработавшего их немецкого мастера Г. Гейсслера (1815-1879).
Таким образом, к последней четверти XIX в. были созданы предпосылки для разработки телевизионных устройств. Непосредственным толчком к их созданию явилось изобретение А. Беллом (1847-1922) в 1876 г. телефона, в котором многие увидели электрический аналог слуха. От него перешли к поискам электрического аналога зрения. Может быть поэтому одна из первых систем телевидения, предложенная американцем Дж. Кери, копировала сетчатку глаза. Система предполагала наличие на передающей стороне панели с мозаикой фотоэлементов, на которую проецировалось изображение. Фотоэлементы соединялись проводами с источниками электрического света на приемной стороне, а количество соединительных проводов было равно количеству фотоэлементов.
Каждый фотоэлемент давал информацию о яркости одного элементарного участка изображения. Причем четкость передаваемого изображения была тем выше, чем больше было таких участков. По проекту Кери сигналы от всех элементарных участков передавались отдельно и одновременно. Но практически данная система не могла быть реализована при достаточно большом количестве элементов. Отметим, что в современном телевидении изображение состоит примерно из полумиллиона элементов, для одновременной передачи которых потребовался бы кабель невообразимой толщины.
В 1878-1880 гг. появилось несколько проектов с поочередной передачей сигналов изображения. Среди авторов проектов были португальский физик А. де Пайва (1847-1907), французский адвокат К. Сенлек (1843-1934), русский студент П.И. Бахметьев (1860-1913). Их проекты интересны предложением устройств для передачи сигналов изображения по одному каналу связи. Возможность синтеза изображения при последовательном приеме отдельных элементов основана на инерционности зрительного аппарата человека. Оказывается, глаз воспринимает прерывистый свет как непрерывный при более 10 мельканий в секунду.
Последовательная передача сигналов элементов изображения — один из основных принципов, лежащих в основе современного телевидения. Его можно реализовать с помощью коммутаторов на передающей и приемной сторонах телевизионной системы. Вторым главным принципом телевидения является синхронная и синфазная коммутация элементов изображения. О третьем фундаментальном принципе телевидения — накоплении зарядов элементов за время кадра речь пойдет ниже.
Введение
9
Рис. В.1. Диск Нипкова
Практическое решение проблемы развертки изображения было предложено в 1884 г. немецким инженером П. Нипковым (1860-1940). Основу запатентованного им оптико-механического устройства под названием «электрический телескоп» составлял непрозрачный диск большого диаметра, около внешнего края которого располагались отверстия но спирали Архимеда. Диаметр отверстия определял размер элемента. Каждое отверстие было смещено по радиусу к центру диска относительно предыдущего на диаметр отверстия (рис. В.1). Перед диском устанавливалась ограничительная рамка, определяющая размер изображения. Высота рамки равна расстоянию по вертикали между началом и концом спирали, а ширина — расстоянию между о тверстиями в диске. При вращении диска отверстия внутри рамки перемещаются по дуге, при этом в поле рамки оказывается только одно отверстие. Каждое отверстие соответствует строке, и число строк развертки изображения равно числу отверстий в диске. Количество элементов, на которое будет разбито изображение при одинаковой высоте и ширине рамки, равно п2, где п — число отверстий в диске. За один оборот диска передаются все элементы изображения.
Идея системы Нипкова казалась настолько простой, что в течение 40 лет привлекала изобретателей многих стран. Однако только после изобретения в 1906 г. американским инженером Ли де Форестом (1873-1961) аудиона — усилительной электронной лампы и ее усовершенствования в последующие годы появилась реальная возможность создания систем телевидения. Основанные на диске Нип-ковн системы практически были реализованы лишь в 1925 г. Дж. Бэ-|нюм в Великобитании, Ч. Дженкинсом в США, И.А. Адамяном и шмависимо Л.С. Терменом в СССР. В 1926 г. Дж. Бэрд начал опытные телевизионные передачи с четкостью 30 строк через радиостанцию вблизи Лондона. В Германии в 1929 г. концерн «Телегор АГ» по главе с Д. Михали вышел в эфир с передачами в стандарте 30 < 1|»ок, 12,5 кадров в секунду.
В Москве в апреле 1931 г. коллектив лаборатории телевидении Всесоюзного электротехнического института под руководством В II Архангельского (1898-1981) и П.В. Шмакова (1885-1982) осу-пн» । вил экспериментальную радиопередачу сигналов изображения в
К)
Введение
Рис. В.2. Укрупненная структурная схема системы с диском Нипкова
Ленинград, а с 1 октября 1931 г. начались регулярные передачи изображения по немецкому стандарту на волне 379 м и звука на волне 720 м. Передающая аппаратура действовала по принципу бегущего луча. Через вращающийся диск Нипкова на передаваемый объект направляли свет от кинопроекционной лампы, и световое пятно как бы обегало передаваемый объект точка за точкой, строка за строкой. Отраженный объектом свет улавливался калиевыми фотоэлементами, которые давали электрический сигнал изображения, поступающий через усилитель на передатчик. Телевизионные передачи из Москвы принимались в Ленинграде, Одессе, Харькове, Н. Новгороде, Томске и других городах.
На рис. В.2 показана укрупненная структурная схема системы с диском Нипкова. Изображение передаваемой сцепы с помощью объектива фокусируется в плоскости диска 7, пройдя через ограничительную рамку 2. За диском устанавливается фотоэлемент 3. При вращении диска каждое его отверстие по очереди пропускает световой поток от отдельных участков изображения, образуя на выходе фотоэлемента последовательность электрических импульсов, пропорциональных световому потоку, прошедшему через отверстие. Далее сигнал поступает на передатчик. В приемном устройстве сигнал усиливается и поступает на плоскую газосветную лампу вызывая изменение яркости свечения. Между лампой и зрителем располагается диск 5 с рамкой 6, аналогичный диску на передающей стороне. Диски на приемной и передающей сторонах идентичны, поэтому при их синхронном и синфазном вращении в каждый момент времени положение отверстий на них будет одинаковым. Световой поток, прошедший через отверстие приемного диска в каждый момент времени будет соответствовать яркости элементов передаваемого изображения. При высокой скорости вращения дисков совокупность движущихся светящихся точек будет восприниматься как слитное изображение.
После' внедрения оптико-механического телевидения стали очевидны ('го недостатки: низкая четкость, малый размер экрана, слабая яркость изображения. Предпринятые усилия улучшить качество изображения путем использования для развертки вращающихся призм, зеркальных винтов и барабанов, а также увеличения числа
Введение
И
развертывающих элементов (отверстий диска) оказались неэффективными, так как чувствительность системы резко падала с увеличением числа элементов разложения вследствие того, что эти системы генерировали сигнал только во время прохождения светового потока через развертывающий элемент, не накапливая его при коммутации других элементов в течение кадра.
Принцип накопления зарядов был осуществлен М.А. Бонч-Бруевичем (1888-1940) в его «радиотелескопе», изготовленном в Нижегородской радиолаборатории в 1921 г. и ныне хранящемся в Центральном музее связи им. А.С. Попова. Устройство радиотелескопа напоминало систему Дж. Кери с панелями из 200 фотоэлементов (20x10) и такого же количества источников света, с той разницей, что передача сигнала производилась последовательно по паре проводов благодаря использованию коммутаторов. К каждому из 200 фотоэлементов был подключен небольшой конденсатор. В опубликованном описании устройства М.А. Бонч-Бруевич не отметил указанной принципиальной особенности радиотелескопа, что позволило Ч. Дженкинсу в 1928 г. взять патент в США на подобную систему механического телевидения с накоплением заряда. Следует отметить, что только в системах матричного типа (с панелями фотоэлементов) имелась возможность реализации принципа накопления. Однако увеличение поверхности панелей этих систем ограничено оптикой. В системах с единичным фотоэлементом реализовать принцип накопления невозможно, что показывает их бесперспективность. Недостатки механических систем телевидения были видны и раньше, но состояние техники сдерживало развитие альтернативной электронной или, как ее тогда называли, катодной системы телевидения.
Еще в 1858 г. боннский профессор Ю. Плюккер (1801-1868) обнаружил свечение стекла вблизи катода в запаянной трубке и объяснил его действием особых катодных лучей. В следующие десять лет были основательно изучены свойства этих лучей, такие как прямолинейность и способность отклоняться под воздействием электрического и магнитного полей. Англичанин У. Крукс (1832-1919) разработал ряд катодолюминофоров — светосоставов, светящихся под действием катодных лучей, и высказал предположение о корпускулярном характере катодного излучения, которое после открытия в 1897 г. •мкжтрона было отождествлено с электронным потоком. В том же го,л.у свойствами катодного (электронного) луча воспользовался немецкий физик Ф. Браун (1850-1918), видоизменив трубку Крукса и приспособив ее для индикации электрических процессов. Л.И. Мандельштам (1879-1944) в 1907 г. разработал генератор пилообразного напряжения для линейного отклонения электронного луча, а преподаватель Петербургского технологического института Б.Л. Розинг (IК(И) 1933) в том же году оформил заявки в России, Великобитании и Германии на изобретение «электрического телескопа» — телеви-ппшпой системы с передатчиком механического типа и приемником
12
Введение
на основе электронно-лучевой трубки.
Существенным новшеством трубки Розинга было введение раз-носкоростной развертки по двум координатам для образования на экране прямоугольного растра, а также электрода в виде пары пластин и диафрагмы с отверстием, осуществляющего регулировку плотности тока луча. На пластины подавался сигнал от фотоэлемента. В зависимости от величины сигнала электронный луч отклонялся, и через отверстие диафрагмы проходило различное количество электронов, вызывая тем самым различное свечение экрана. Б.Л. Рози нгу помогали студенты, в их числе известный впоследствии американский ученый В.К. Зворыкин (1889-1982), оставивший об этом воспоминания.
9 (22) мая 1911 г. Б. Л. Розинг впервые в мире осуществил передачу и прием телевизионного изображения в виде решетки из четырех светлых полос на темном фоне. При закрывании одного из просветов решетки на передающей стороне соответствующая полоса на экране приемника тотчас исчезала. Это было первое в мире телевизионное изображение, переданное и в тот же миг принятое с помощью аппаратуры, изготовленной в России. Отмечая научное достижение Б.Л. Розинга, Русское техническое общество присудило ему премию и золотую медаль имени К. Сименса. В это же время в Велико-битании был опубликован проект телевизионной установки инженера А.А. Кемпбелл-Суинтона (1863-1930) с передающей и приемной электронно-лучевыми трубками. Его многократные, но безуспешные попытки практически реализовать данную схему отразились только в научной литературе. Проекты полностью электронных систем телевидения предлагались в ряде патентов, в том числе французском в 1921 г., выданном Э.Г. Шульцу, американском в 1923 г. — В.К. Зворыкину, советских в 1925 г. — А.А. Чернышеву (1882-1940) и Б.П. Грабовскому (1901-1966) с соавторами. Последнему удалось в 1928 г. под патронажем Б.Л. Розинга завершить постройку ТВ установки и продемонстрировать передачу простых изображений. Однако эта работа не получила поддержки в период массового увлечения механическим телевидением. В начале 30-х годов интерес научно-технических кругов вызвали работы Ф. Фарнсворта (1906-1971) в США и М. Арденне (р. 1907) в Германии. Фарнсворт создал модификацию диссектора — передающей трубки мгновенного действия (без накопления). М. Арденне в качестве датчика сигнала использовал фотоэлемент и кинескоп с малым временем послесвечения, работавший по известному еще в механическом телевидении принципу «бегущего луча». Указанные системы избавляли телевидение от механического движения при развертке, но нс давали заметного прибавления чувствительности и связанной с ней разрешающей способности. Как и механические системы, они не накапливали заряды, расточительно расходуя световой поток от передаваемого объекта для создания сигнала только в момент коммутации.
Введение
13
Дальнейшее развитие телевидения тормозилось отсутствием передающей трубки с накоплением зарядов. Авторскую заявку на такую трубку подал в конце 1930 г. сотрудник Физико-техннческого института А.П. Константинов (1895-1937), сформулировав предмет изобретения следующим образом: «Передающее устройство для дальновидения с применением многоячейкового фотоэлемента и конденсаторов, присоединенных к каждой ячейке для накопления зарядов в течение времени передачи кадра, и коммутацией разряда конденсаторов электронным лучом, отличающееся тем, что указанные конденсаторы включены так, чтобы разряд конденсаторов совершался в цепи, проходящей через общий электрод конденсаторов и катодный луч».
Попытка практического осуществления трубки встретила непреодолимые технологические трудности. Такая же участь постигла проект 1931 г. трубки с накоплением С.И. Катаева (1904-1991) и ряд других аналогичных предложений. Решил проблему В.К. Зворыкин, десятилетняя работа которого в США увенчалась созданием иконоскопа — первой передающей трубки с накоплением зарядов. Мозаичный фотокатод иконоскопа изготавливался напылением тонкого слоя серебра на Слюдяную подложку размером 10x12 см. При нагреве в печи серебряный слой сворачивался в миллионы изолированных друг от друга мельчайших гранул, на которые наносился фоточув-ствительный цезий. Другой стороной слюдяная подложка крепилась к металлической пластинке. Образованные таким образом фотоэлементы обладали емкостью, необходимой для накопления зарядов. В июне 1933 г. В.К. Зворыкин сообщил о разработке полностью электронной телевизионной установки с разрешающей способностью более 300 строк, пригодной для промышленного производства.
В нашей стране разработка электронной системы телевидения началась после доклада В.К. Зворыкина во время его визита в СССР в августе 1933 г. Уже в ноябре 1933 г. П.В. Шмаков и П.В. Тимофеев (1902-1982) патентуют супериконоскоп — трубку с более высокой, чем у трубки Зворыкина чувствительностью. Заметным успехом явилась демонстрация в феврале 1935 г. электронной системы телевидения на 180 строк, разработанной под руководством Я.А. Рыфтина (1905-1989). Иконоскоп для нее создали Б.В. Круссер (1900-1981) и Н.М. Дубинина (1910-1997). В декабре 1935 г. в ленинградском ВНИИ телевидения под руководством А.В. Дубинина (1903-1953) была создана установка электронного телевидения на 240 строк, 25 кадров. В 1936 г. под руководством А.А. Расплетина был разработан телевизор на этот стандарт с экраном 13x17,5 см. В 1938 г. начались передачи Опытного ленинградского телецентра с указанной выше четкостью, а затем и Московского телецентра с четкостью 343 строки, студийная аппаратура для которого изготавливалась в США.
В годы Второй мировой войны телевизионное вещание продолжалось только в США, где в 1942 г. был разработан суперортикон — одна из наиболее чувствительных трубок. Первым в Европе возобновил
ы
Введение
работу 7 мая 1945 г. Московский телецентр, переведенный в 1948 г. на. стандарт 625 строк. Разработку стандарта, вскоре принятого европейскими странами, вела группа ученых в составе К).И. Казначеева (1902- 1988), С.И. Катаева, С.В. Новаковского (р. 1913) и др.
Первую передачу телевизионной программы, записанной на ферромагнитной ленте, провела компания CBS (США) 30 ноября 1956 г., используя видеомагнитофон фирмы Ашрех. Так началось внедрение новой технологии телевизионного вещания. Старая технология — передача непосредственно из студии — держала режиссера и исполнителей в напряжении от начала до окончания передачи, ибо любой дефект в их работе был заметен телезрителям. Благодаря видеозаписи неудачные сцены можно было переиграть и заменить при монтаже. Кроме того, новая технология создала условия для оперативного обмена программами, их тиражирования, накопления в централизованных и частных видеотеках.
Первое слово в магнитной видеозаписи было воспроизведено еще в 1922 г. Б.А. Рчеули (1899-1942), оформившем патент СССР (а затем и ряда других стран) на способ и устройство записи и воспроизведения визуальных и звуковых сигналов на движущуюся железную ленту. Попытки осуществить этот проект сначала в своей стране, а затем в Великобитании не дали результата. Болес успешной оказалась деятельность выходца из России А.М. Понятова (1892-1980), основателя и первого президента фирмы Ашрех, которая первой применила вращающиеся магнитные головки для поперечно-строчной записи, позволяющей резко снизить скорость движения магнитного носителя. Фирма в течение длительного времени была «законодателем мод» в области видеомагнитной записи. Аппараты, созданные по системе Ашрех, выпускались в США, Германии, Японии, Великобитании, Франции, СССР. У нас работы по созданию профессиональных видеомагнитофонов начались во второй половине 50-х годов. В декабре 1959 г. образец аппаратуры, созданной па заводе «Ленкинап» при участии ВНИИ телевидения и НИКФИ, был принят государственной комиссией.
Важным этапом в послевоенном развитии телевидения явилось внедрение цветного телевизионного вещания, регулярпые передачи которого у нас начались 1 октября 1967 г. по совместной советско-французской системе SECAM.
Автором проекта первой цветной телевизионной системы механического типа с последовательной передачей цветовых сигналов является инженер-электрик и технолог А.А. Полумордвинов. В декабре 1899 г. он предложил устройство, основанное, как и современные системы, на трехкомпонентной теории цветного зрения Ломопосова-Юнга-Гельмгольца. Проект двухцветной системы с одновременной передачей цветовых сигналов по двум каналам связи предложил в 1907 г. О.А. Адамян.
Введение
15
В 1938 г. в Великобитании Дж. Бэрд осуществил демонстрацию цветного изображения с четкостью 120 строк на большом экране. Это была комбинированная система с последовательной передачей цветовых сигналов, использующая элементы механического и электронного телевидения, как и система на 343 строки, демонстрированная в 1940 г. в США П. Голдмарком (1906--1977). В 1951 г. в Нью-Йорке с помощью данной системы началось телевизионное вещание, которое через короткое время было прекращено по причине ее несовместимости с существующей системой черно-белого телевидения и невозможности увеличения размера экрана из-за наличия в приемном устройстве вращающегося диска с цветными фильтрами. В 1953 г. в США была введена для вещания одновременная совместимая система цветного телевидения NTSC. Впоследствии ее использовали Япония, Канада и страны Латинской Америки.
В нашей стране первая опытная передача цветного телевидения по последовательной системе, разработанной под руководством В.Л. Крейцера (1908-1966), состоялась в ноябре 1952 г. В 1954-1956 гг. опытные передачи вела Московская станция цветного телевидения. Для их приема было выпущено небольшое количество телевизоров «Радуга» с экраном диаметром 18 см и вращающимся трехцветным диском.
На кафедре телевидения ЛЭИС им. проф. М.А. Бонч-Бруевича под руководством проф. П.В. Шмакова с начала 50-х годов проводились исследовательские работы по созданию одновременной совместимой системы цветного телевидения. В марте 1956 г. были проведены опытные передачи цветного изображения через ретрансляционный передатчик. В том же году аппаратура была перевезена в Москву для демонстрации ее работы специалистам и членам правительства. Также продемонстрировали аппаратуру цветного телевидения специалисты НИИ радио (Москва) во главе с С.В. Новаковским. В 1958 г. делегатам XI Исследовательской комиссии Международного консультативного комитета по радио (МККР) в Москве и Ленинграде демонстрировались результаты работы по цветному телевидению, получившие высокую оценку международной телевизионной общественности. Дальнейшие работы по внедрению цветного телевизионного вещания проводились во ВНИИ телевидения (Ленинград).
В начале 60-х годов было предложено множество систем цветного телевидения, разработанных в различных странах. После ряда экспериментальных проверок и длительных дискуссий наша страна выбрала для вещания систему SEC AM — совместную разработку советских и французских специалистов. Эту же систему предпочли некоторые страны Восточной Европы, Африки и Азии. Разработанную в Германии систему PAL выбрали страны Западной Европы, Австралии, частично Азии и Африки. В настоящее время в мире действуют три стандарта цветного телевидения: NTSC, SECAM, PAL. Поэтому
к;
Введение
при передаче сигналов одной из систем в страну, где принят другой стандарт, необходимо осуществлять преобразование стандартов (транскоди рован ие).
В ходе научно-технического прогресса происходит взаимное обогащение наук и проникновение одной науки в другую. Наглядный пример этому дает использование телевизионной техники в освоении космоса — космическое телевидение [2]. Искусственные спутники Земли в качестве ретрансляторов телевизионных программ позволяют значительно раздвинуть границы телевизионного вещания (спутниковое телевидение).
Телевизионная техника широко используется при изучении и освоении космического пространства. В октябре 1959 г. впервые в истории была осуществлена передача изображения невидимой части Луны. С помощью телевидения обеспечивалось управление движением луноходов. Кроме того, телевидение помогает наблюдать за жизнедеятельностью космонавтов в полете, за их работой в открытом космосе, в невесомости. Телевидение приобщило к научному космическому эксперименту многомиллионную аудиторию зрителей [3].
Благодаря успехам космической техники спутниковое телевидение приобретает глобальный характер. Стала обычной практика передачи телевизионных программ с одного континента на другой. Широко разветвленная есть наземных спутниковых приемных станций позволяет смотреть программы из Останкино в самых отдаленных районах страны. Системы спутникового телевидения обеспечивают непосредственный прием программ с синхронных спутников Земли на индивидуальные телевизоры.
Осуществляются казавшиеся фантастическими проекты. Выдвинутый в 1937 г. проф. С.И. Катаевым проект малокадрового телевидения используется в аппаратуре для передачи изображений удаленных планет. Реализован и предложенный проф. П.В. Шмаковым метод ретрансляции сигналов телевизионного вещания при помощи самолетов и искусственных спутников Земли.
Трудно найти область человеческой деятельности, где прямо или косвенно не используется телевидение. Очевидно, дальнейшее повышение автоматизации научных исследований и производственных процессов приведет к возрастанию роли телевидения, так как оно повышает эффективность труда, а иногда позволяет получить результаты, которые без применения телевидения недостижимы.
Телевидение остается самым действенным средством информации. Ежедневно телевизионные программы в нашей стране смотрят десятки миллионов зрителей. Ни одно из средств массовой информации не может сравниться с телевидением по степени воздействия на зрителя. Возможности телевидения в области агитации и пропаганды практически безграничны. Телевидение позволяет проводить познавательные, информационные, художественные, музыкальные,
Введение
17
спортивные, детские, развлекательные и другие передачи. Оно сочетает в себе оперативность и наглядность, что делает зрителя соучастником происходящих событий.
В октябре 1997 г. Ассамблея радиосвязи Международного союза электросвязи приняла большой пакет мировых стандартов в области телевидения высокой четкости, цифрового многопрограммного телевидения, цифрового наземного телевещания и т.д., подготовленных XI Исследовательской комиссией МСЭ под председательством М.И. Кривошеева (р. 1922). Полный переход к цифровым методам передачи сигналов рассчитан на 10 лет и более. Имеющиеся в мире 1,3 млрд телевизоров подлежат постепенной замене. Рынок цифрового телевидения на ближайшие годы оценивается суммой в несколько сотен миллионов долларов США.
В США законодательно уже принят новый стандарт на цифровое телевидение высокой четкости (ТВЧ), одобрены правила выдачи 1600 бесплатных лицензий на вещание, а 240 миллионов нынешних телевизоров признаны устаревшими, в связи с чем вещание по существующей системе будет полностью прекращено в 2006 г. По новому стандарту число строк увеличивается вдвое, формат кадра вместо существующего 4:3 будет 16:9. Таким образом, в качественном отношении телевидение совершает огромный скачок, сравнимый с переходом от механической развертки к электронной в середине 30-х годов XX в.
По мнению С.В. Новаковского, для внедрения в России новой ТВ системы следует воссоздать мощную научную базу и государственный координирующий орган с широкими полномочиями, восстановить радиоэлектронную промышленность и телевизоростроение, так как разрозненные акционерные общества эту крупнейшую народнохозяйственную задачу решить не смогут. Перечисленные меры позволят организовать много новых рабочих мест для специалистов и производственников, сократить импорт ТВ аппаратуры, создать условия для развития прикладного и бытового телевидения [4].
В становление телевизионной науки и техники и в ее развитие внесли большой вклад видные отечественные ученые: профессора Б.Л. Розинг, П.В. Шмаков, С.И. Катаев, Я.А. Рыфтин, Г.В. Брауде, С.В. Новаковский, И.А. Росселевич, М.И. Кривошеев, Ю.Б. Зубарев и др. Ученые России считают, что научно-технический потенциал страны сейчас вполне достаточен для решения новых задач в области телевидения. При этом нет необходимости догонять мировой уровень, как в случае с другими видами продукции, поскольку многие перспективные технологии находятся пока что в стадии становления и их комплексные разработки и освоение придется проводить практически с начального уровня [5].
Выдающийся русский ученый Б.Л. Розинг, основоположник электронного телевидения, на заре его развития писал: «Несомненно, наступит, наконец, такое время, когда электрическая телескопия
9
к
Введение
распространится повсеместно и станет столь же необходимым прибором, каким является в настоящее время телефон. Тогда миллионы таких приборов, таких «электрических глаз» будут всесторонне обслуживать общественную и частную жизнь, науку, технику и промышленность... Тогда, конечно, электрическая телескопия как наука займет подобающее ей место среди других наук техники слабых токов. Возможно даже, ей будут посвящены специальные институты» [6]. Эти пророческие слова ученого полностью сбылись.
т ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
—- ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Глава 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
1.1.	Поэлементные анализ и синтез оптических изображений
Телевизионное изображение формируется на экране приемного устройства и предназначено для рассматривания его глазом. Получателем вещательной телевизионной информации является зритель, наблюдатель; поэтому параметры и характеристики телевизионной системы должны выбираться из условий ее согласования со свойствами и характеристиками зрительной системы человека. При разработке телевизионной системы или отдельных ее узлов необходимо знать, какие характеристики зрительной системы влияют на параметры отдельных узлов и телевизионной системы в целом.
Источником информации для телевизионной системы является окружающий нас мир. Предметы обладают свойством отражать падающий на них световой поток. В подавляющем большинстве случаев — это диффузное отражение, хотя нередко встречается и зеркальное отражение, характерное для так называемых зеркальных поверхностей, к которым относят полированные и лакированные поверхности, поверхности жидкостей и др. Способность каждого предмета или его деталей различно отражать световой поток или излучать (самосве-тящиеся предметы) является оптическим свойством объекта, а отраженный (излученный) каждой деталью предмета световой поток является источником зрительной информации о предмете, воспринимаемой наблюдателем. Отражательные свойства тел описывают коэффициентом отражения
р(А) = FO(A)/F(A),
где FO(A) — отраженный световой поток; F(A) — световой поток, падающий на отражающую поверхность.
2*
20
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Световой поток, облучающий предметы, определяет их освещенность Ео (лк). Освещенность различных участков трехмерного объекта будет различна, так как участки расположены на разных расстояниях от облучающего источника, одни детали затеняют другие и т.д. Большую роль играет характер освещения, т.е. число источников света, их мощность и пространственное размещение. Иными словами, зрительная информация об объекте, воспринимаемая наблюдателем, определяется световой энергией, отражаемой (излучаемой) каждой точкой (элементом) объекта в сторону наблюдателя. Интенсивность и спектральный состав элементарного потока характеризуют воспринимаемые зрителем яркость и цвет каждой точки объекта, а направление потока — пространственное расположение той же точки. Одновременно наблюдатель видит ограниченную часть пространства, определяемую пространственным углом, называемым углом зрения.
В общем случае объект передачи характеризуется следующими параметрами: яркостью, цветом и глубинным расположением предметов. Так как каждая точка объекта располагается в трехмерном пространстве, а при движении и изменении освещенности меняется характер распределения яркости и цвета всех точек рассматриваемых объектов, математическая модель объектов передачи является многомерной функцией пространственно-временного распределения яркости L, цветового тона А и чистоты цвета р, т.е.
L = fi(x,y,z,t) 1
А = fx(x,y,z,t) У,	(1.1)
Р = fP(x, у, z, t) J
где х, y.z — пространственные координаты; t — время.
Эти уравнения определяют яркость L и цветность (/\ и р) как функцию пространственных координат у и z каждой точки движущегося объекта и времени (см. § 10.1).
Главной задачей телевидения является нахождение способов такого преобразования изображения объекта, чтобы его можно было передавать методами электросвязи. При этом необходимо добиваться того, чтобы изображение, созданное приемным телевизионным устройством, как можно более соответствовало объекту передачи.
Одним из основных свойств электрического канала связи является возможность передавать в каждый момент времени только одно значение сигнала. Следовательно, сигнал должен быть функцией только одного независимого переменного — времени, т.е. электрический канал связи характеризуется одномерной зависимостью напряжения от времени:
и =	(1.2)
В общем случае выходные параметры L'. A7, р' могут не совпадать с входными L, А. р и математически описываются совокупно
ГЛАВА 1. Основные принципы телевидения
21
стью трех многомерных функций:
L' =	'
А' = fx(x,y,z,t) >.
= fp&,y,z,t) J
(1-3)
Из уравнений (1.1) и (1.3) следует, что задача синтеза телевизионной системы заключается в таком выборе ее параметров, чтобы выходное изображение (1.3) с заданной степенью точности соответствовало бы объектам телевизионной передачи (1.1).
Преобразование трех многомерных функций передачи непосредственно в одномерный сигнал невозможно. Поэтому, учитывая опыт фотографии, можно пойти на ряд упрощений в формировании передаваемого изображения, упрощая и их математические описания.
При передаче плоского черно-белого неподвижного изображения математическое описание упрощается до вида
L = h(x,y),
(1-4)
что показывает распределение яркости в плоскости изображения, т.е. изменение яркости в координатной системе х, у. Даже в этом простейшем случае оно описывается двумерным распределением яркости (1.4) и не может быть непосредственно преобразовано в одномерный сигнал.
Если рассматривать передачу движущихся изображений, что является основным назначением телевидения, то задача еще больше усложняется. При передаче черно-белых плоских движущихся изображений распределение яркости будет являться функцией трех переменных
L = fb{x, y,t).
В телевидении кроме информации о мгновенном значении яркости L необходимо точно знать, из какой точки передаваемой сцены эта информация получена, т.е. его геометрическое место.
Для решения задачи преобразования трехмерного сигнала в одномерный используются два фундаментальных принципа, которые лежат в основе телевидения, — дискретизация изображения и его развертка, т.е. в телевидении используется пространственная и временная дискретизация.
Пространственная дискретизация заключается в разбивке всего поля передаваемого изображения на конечное число дискретных элементов. На рис. 1.1 показаны фотографии женской головы (крупный план), разбитые примерно на 1000 и 250000 элементов соответственно. Теоретически количество элементов на изображении может быть бесконечно большим. На практике в связи с ограниченной разрешающей способностью зрения любое изображение может быть представлено определенным числом элементов с конечными размерами.
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 1.1. Пространственная дискретизация изображений
Телевизионному преобразованию изображений в электрический сигнал предшествует построение плоского оптического изображения и поэлементный его анализ. Плоское оптическое изображение может быть представлено множеством элементарных источников, интенсивность каждого из которых может принимать т различных значений. Число элементарных источников N тем больше, чем выше предельно различимая детальность изображения, т.е. элементы должны быть достаточно мелки, а их число на изображении должно быть достаточно велико, чтобы глаз не замечал дискретной структуры изображения.
Элементом изображения называется минимальная деталь изображения, внутри которой яркость и цвет считаются постоянными, т.е. внутри элемента неравномерность яркости и цвета уже не будут различаться глазом.
Первый основной принцип телевидения заключается в разбивке изображения на отдельные элементы и поэлементной передаче всего изображения. Одновременная передача сигналов всех элементов неприемлема, так как это потребует такого количества линий связи между передатчиком и приемником, сколько элементов изображения, что исключает возможность практического осуществления.
Проблему каналов связи решает второй основной принцип, на котором базируется телевидение, — это последовательная во времени передача по каналу связи информации о яркости элементов. Этот принцип называется разверткой. Возможность последовательной передачи телевизионного изображения по одному каналу связи базируется на явлении инерционности зрения. Инерционностью зрения называется способность зрительного аппарата сохранять зрительное ощущение в течение некоторого времени после прекращения его воздействия. Инерционность проявляется в том, что мелькающий п( гочиик света при высокой частоте мельканий кажется непрерывно светящимся. Поэтому при достаточно высокой частоте передачи
ГЛАВА 1. Основные принципы телевидения
23
мелькающих сигналов они будут казаться наблюдателю непрерывно светящимися.
Процесс последовательной, поочередной передачи элементов изображения называется разверткой (сканированием) изображения. Следовательно, принцип развертки, который превращает изображение в чередование последовательных электрических сигналов, решает поставленную задачу, т.е. получение слитного изображения.
Развертку можно осуществлять, перемещая развертывающий элемент (электронный луч, сканирующее отверстие и др.) по поверхности изображения по определенному закону.
Координаты развертываемых точек изображения являются функциями времени:
x = <px(t); y = <py(t),	(1.5)
где и — произвольные однозначные функции времени.
Если подставить (1.5) в (1.4), получим необходимую для передачи функцию времени L -
Следовательно, процесс развертки решает задачу преобразования изображения в последовательность электрических сигналов. Эта последовательность передачи выбирается в зависимости от назначения системы. Развертка может быть детерминированная, когда траектория движения развертывающего элемента строго определена и наперед задана. Недетерминированная развертка предполагает такое движение развертывающего элемента, которое автоматически устанавливается в зависимости от содержания изображения. Такие развертки используются в системах обработки изображений или для оптимизации систем передачи.
При детерминированной развертке разложение изображения может происходить по различным траекториям движения развертывающего элемента, т.е. движение может быть произвольным. Необходимо лишь, чтобы движение развертывающих элементов в оптикоэлектронном и электронно-оптическом преобразователях осуществлялось по одному закону. В зависимости от закона движения развертывающего элемента по поверхности изображения возможны различные виды разверток: линейные, зигзагообразные, спиральные, синусоидальные, радиальные и др.
При выборе типа разверток к вещательной телевизионной (ТВ) системе предъявляются определенные требования, основные из которых: одинаковое время передачи каждого элемента, минимальные затраты времени на обратный ход и простота технической реализации. Как видно из рис. 1.2, ни один тип разверток не удовлетворяет этим требованиям, за исключением линейной развертки. Поэтому в вещательном телевидении и в большинстве случаев прикладного телевидения используется линейная развертка, в частности прогрессивная и чересстрочная.
24
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 1.2. Виды детерминированных разверток:
а — линейная; 6 — зигзагообразная; в — спиральная; г — синусоидальная; д — радиально-круговая
Недетерминированная развертка в настоящее время применяется в телевизионной автоматике. Там имеют дело с более простыми, чем в телевизионном вещании, изображениями. Это позволяет достаточно просто согласовать законы движения развертывающих элементов с геометрическими или оптическими характеристиками различных объектов. Это является шагом на пути создания ТВ систем со статистическим согласованием. Такие системы широко применяются при исследовании биологических микрообъектов, петрографии, исследовании образцов металлоизделий, искусственных алмазов и др.
Недетерминированные развертки строятся по принципу разделения на два режима: поиска и слежения. В режиме поиска развертывающий элемент движется по заданной траектории, а при попадании на изображение объекта он переходит в режим слежения, во время которого производится считывание информации и ее обработка. Существуют несколько режимов слежения в зависимости от решаемой задачи. Например, может использоваться следящая развертка по контуру объекта, по площади. В первом случае развертывающий элемент подчеркивает только контур исследуемого объекта, а во втором — развертка обеспечивает получение упорядоченной информации о каждом объекте в отдельности [7].
Основная задача в телевидении — передача движущихся изображений — осуществляется так же, как и в кино, методом последовательной передачи большого количества неподвижных изображений в секунду. Благодаря быстрой смене кадров, каждый из которых представляет собой неподвижное изображение, запечатленное с определенной фазой движения объекта передачи, у зрителя создается иллюзия непрерывного движения. Передача цветных и объемных объектов, которые описываются тремя и более функциями, может осуществляться одновременно по трем или более каналам или последовательно во времени по одному каналу связи. Метод последовательной передачи большого количества информации позволяет передавать по одному каналу более сложные изображения, но при этом необходимо уменьшить шаг дискретизации во времени, т.е. повысить частоту передачи кадров в секунду, чтобы изображение воспринималось зрителем немелькающим.
ГЛАВА 1. Основные принципы телевидения
25
Как было сказано выше, законы развертки ТВ изображения могут быть выбраны любыми. Но при этом необходимо, чтобы закон развертки на приемном и передающем преобразователях был одинаковым. Кроме того, требуется строгая синхронность и синфазность разверток на передающем и приемных устройствах. Если эти условия не будут соблюдаться, то воссоздать на приемном конце изображение объекта невозможно. В результате синхронной и синфазной развертки распределение светлых и темных элементов на экране приемного устройства будет соответствовать распределению их на передаваемом объекте.
В телевизионном вещании принята линейно-строчная развертка (слева направо и сверху вниз, что аналогично привычному письму и чтению), т.е. передача элемента за элементом с постоянным направлением и скоростью вдоль строки и с постоянной скоростью чередования строк в кадре. После каждой строки и каждого кадра передаются синхронизирующие сигналы, определяющие начало разверток по строке и кадру. Точность синхронизации и постоянство скоростей развертки по строке и кадру определяют точность воспроизведения геометрического соответствия деталей изображения на приеме и передаче.
Линия, по которой перемещается развертывающий элемент (например, электронный луч) по оси X, называется строкой. Вследствие инерционности зрительного аппарата наблюдатель одновременно видит всю совокупность следов движения электронного пятна на экране. Совокупность видимых строк на экране называется растром. Полный цикл обхода анализирующим и синтезирующим устройством всех элементов изображения называется кадром. При линейно-строчной развертке телевизионную систему обычно характеризуют числом строк z в кадре и числом кадров п — полных изображений в секунду.
Качество ТВ изображения может быть охарактеризовано степенью приближения восприятия его наблюдателем к непосредственному наблюдению передаваемого объекта. Очевидно, качество телевизионного изображения определяется параметрами и характеристиками ТВ системы. Так, воспроизведение мелких деталей и резких границ раздела полей разной яркости (контуров изображения) находится в прямой зависимости от числа передаваемых ТВ системой элементов или, что то же самое, от числа строк в телевизионном растре. Слитность восприятия яркости и плавность движения объектов связаны с числом передаваемых изображений (кадров) в единицу времени и с выбором временного закона развертки. Число воспроизводимых ступеней яркости на изображении — число световых градаций — определяется динамическим диапазоном системы. Геометрическое подобие переданного и принятого изображений определяется качеством синхронизации и точностью в соответствии законов развертки в преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет, т.е. от-
26
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
носитель!!ым равенством координат любого элемента растра как по полю растра, так и ио времени.
Таким образом, выбор параметров системы определяется заданным качеством изображения. С другой стороны, любое повышение качества влечет за собой удорожание системы. Следовательно, качество системы и выбор ее параметров должны быть экономически обоснованы.
1.2.	Преобразование оптического изображения в электрический сигнал
Для восприятия окружающего нас реального мира природа наделила человека пятью чувствами, три из которых (зрение, слух, обоняние) являются дистантными, а два (осязание и вкус) — контактными. Значение стимулов, доводимых до нашего сознания разными органами чувств, далеко не одинаково. Физиологи утверждают, что 80...85 % всех ощущений человек воспринимает через зрение. Но как ни изумительно устроен глаз человека, мы видим малую часть нашего непосредственного окружения, и только то, что излучает или рассеивает падающий свет, который, как известно, занимает весьма узкий диапазон электромагнитных колебаний.
Известно, что весь спектр электромагнитных колебаний условно делят на две части: лежащие ниже 3000 ГГц относят к радиоволнам, а выше — к оптическому диапазону. Видимая часть спектра лежит в области оптического диапазона и составляет лишь узкий участок (380...760 нм). На этом участке размещаются все видимые цвета: от фиолетового до красного (рис. 1.3,а). На рис. 1.3,£ показана кривая относительной спектральной чувствительности глаза, или, как иногда ее называют, стандартной кривой относительной видности глаза. Максимальная спектральная чувствительность глаза находится в области желто-зеленой части видимого спектра частот (0,55 мкм). Слева и справа от максимума кривой видности глаза, где располагаются синие и красные цвета, спектральная чувствительность глаза падает. Следовательно, глаз не все цвета видимого диапазона различает одинаково. Это обстоятельство было учтено при создании совместимых систем цветного телевидения (см. гл. 12).
Телевизионная система может расширить зрительные возможности человека, т.е. она способна видеть то, что человек не может видеть невооруженным глазом. Источником ТВ сигнала может быть любое излучение не только в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Для этого необходимо, чтобы оптико-электронный преобразователь имел соответствующую спектральную чувствительность.
Следовательно, с помощью телевидения можно сделать видимыми объекты, невидимые простым глазом.
ГЛАВА 1. Основные принципы телевидения
27
Частота, Гц	Ультрафиолетовые лучи
10° 101 102 103 104 105 106 107 108 ю9 ю1°1011 io12io131014 10151016/l017 1018 1019 1О2°1О21 1022 1 023
Электромагнитные колебания низкой частоты	Радиоволны	Инфракрасные лучи —1—1	1	1	L			Рентгеновские лучи	
Оптический диапазон
108 1 07 1 06 1 05 1 04 1 03 Ю2 101 10° 10'110'2 Длина волны, м Радиоволны
-14
Видимый свет
а)
>s
е
Рис. 1.3. Спектр электромагнитных волн (а) и стандартная кривая относительной спектральной чувствительности глаза (6)
При передаче черно-белого ТВ изображения каждый элемент характеризуется мгновенным значением яркости. В процессе развертки, т.е. последовательной во времени передачи элементов изображения, образуется сигнал яркости как функция времени. Для получения этого сигнала необходимо преобразовать лучистую энергию в электрический сигнал, что осуществляется в современном телевидении устройствами, использующими фотоэффект. Под фотоэффектом понимается возможность освобождения электронов в веществе под действием световых лучей. Электроны при этом могут покидать вещество, тогда это называется внешним фотоэффектом, или оставаться свободными внутри вещества, увеличивая его проводимость, тогда это называется внутренним фотоэффектом. В первом случае процесс вылета электронов из вещества называется фотоэмиссией, а во втором — электроны, освобожденные светом, но оставшиеся в нем, называются электронами фотопроводимости.
Сущность внешнего фотоэффекта заключается в появлении электронной эмиссии с поверхности некоторых металлов, облучаемых лучистым потоком [8].
Возбужденный квантом света электрон покидает вещество, преодолевая работу выхода. Ясно, что световые лучи, обладающие небольшой энергией световых квантов, не способны вырвать ни одного электрона из вещества, следовательно, во внешней цепи не будет тока. Если световой квант обладает большой энергией, то он способен освободить электроны, и тогда во внешней цепи потечет фотоэмисси-онный ток. Он будет пропорционален световому потоку, если прибор, в котором этот процесс реализуется (фотоэлемент), работает в режиме насыщения. Тогда все элементы, испускаемые данным веществом, попадают во внешнюю цепь этого прибора. Преобразование светового
2S
ЧАСТЬ 1. Физические основы телевидения
по тока в электрический ток при внешнем фотоэффек те безынерционно. Основные закономерности внешнего фотоэффекта установлены А.Г. Столетовым в 1888-1890 гг.
При внутреннем фотоэффекте за счет поглощения энергии излучения увеличивается энергия отдельных электронов вещества и нарушаются связи электронов с ядром своего атома, в результате чего внутри фотослоя возникают носители тока. Электроны не покидают вещество, а остаются внутри него, переходя из заполненной зоны в зону проводимости. Это приводит к изменению сопротивления фотослоя. Возбужденный светом электрон через некоторое время рекомбинирует, т.е. возвращается в заполненную зону. Скорость этого процесса возрастает по мере увеличения концентрации фото-генерированных электронов. При неизменном потоке излучения скорость генерации носителей постоянна, скорость рекомбинации возрастает, поэтому через определенный промежуток времени интенсивность рекомбинации становится равной интенсивности генерации новых фотоэлектронов. Наступает равновесное состояние — стационарное значение проводимости.
При прекращении освещения носители тока рекомбинируют не мгновенно, поэтому фотопроводимость сохраняется еще спустя некоторое время. Следовательно, нарастание и спад фотопроводимости происходят не мгновенно, а являются процессом инерционным.
Квантовый выход, т.е. отношение числа фотоэлектронов к числу падающих квантов света, при внутреннем фотоэффекте значительно выше, чем при внешнем. При внешнем фотоэффекте выбитые квантами света фотоэлектроны должны совершить «работу выхода», чтобы покинуть свою среду, т.е. иметь большой запас энергии. При внутреннем фотоэффекте фотоэлектроны работу выхода не совершают, они только отрываются от своих атомов и остаются в пределах фотопроводника. При этом требуется значительно меньше энергии. Следовательно, оптико-электронные преобразователи, использующие явление внутреннего фотоэффекта, обладают более высокой чувствительностью, и поэтому современные датчики телевизионных сигналов используют в основном принцип внутреннего фотоэффекта [9].
1.3.	Обобщенная структурная схема телевизионной системы
Общая задача телевидения — преобразование световой энергии в электрический сигнал, передача этого сигнала по каналу связи и, наконец, преобразование на приемном конце электрического сигнала в оптическое изображение. Исходя из этого строится ТВ система, включающая весь комплекс технических средств, обеспечивающих получение на приемном устройстве зрительной информации о пере-лаваемом объекте. В зависимости от назначения системы объем и
ГЛАВА 1. Основные принципы телевидения
29
Анализирующее устройство
Синтезирующее устройство
Рис. 1.4. Структурная схема телевизионной системы:
1 — объектив; 2 — оптико-электронный преобразователь; 3 — развертывающее устройство; 4 — синхронизатор; 5 — усилитель; б — передающее устройство; 7 — канал связи; 8 — приемное устройство; 9 — видеоусилитель; 10 — преобразователь сигнал-свет; 11 — селектор импульсов синхронизации; 12 — развертывающее устройство
устройство технических средств могут быть различными, но они характеризуются общими для всех систем свойствами. Обобщенные, характерные для ТВ системы устройства и их взаимосвязь представлены в структурной схеме рис. 1.4.
Объектив 1 преобразовывает световой поток, создавая оптическое изображение сцены на светочувствительной поверхности оптикоэлектронного преобразователя 2. Это устройство преобразует световую энергию в электрическую.
Оптическое изображение проецируется на мишень передающей трубки или на твердотельный датчик ТВ сигналов, и с этих устройств снимаются заряды, которые впоследствии образуют ТВ сигнал. С помощью развертывающего устройства 3 получают последовательные электрические импульсы. Электрические импульсы, несущие информацию о яркости изображения, называются 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 синхронизации вырабатываются в синхрогенераторе 4 и представляют собой импульсы различной длительности и частоты. Одни импульсы синхронизации вырабатываются с частотой строк, другие — с частотой кадров. Эти импульсы поступают в развертывающее устройство 3, а также в усилитель 5, где суммируются с сигналом яркости и поступают в передающее устройство 6.
В ТВ системе развертывающие устройства на передающей и приемной сторонах работают в автоколебательном режиме. Поэтому сигналы синхронизации вместе с сигналом яркости передаются на
30
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
телевизионные приемники и обеспечивают работу развертывающих устройств синфазно и синхронно с развертывающими устройствами передающей части.
Снпхрогснератор вырабатывает также сигналы гашения лучей передающей и приемной трубок во время их обратных ходов, называемых гасящими импульсами. 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 сигналом яркости.
В передающем устройстве 6 производится модуляция несущей. Полный ТВ радиосигнал далее поступает в канал связи 7. Роль канала связи могут выполнять радиопередатчики, ретрансляторы, кабельная, радиорелейная, спутниковая, световодная и другие линии связи, удовлетворяющие требованиям неискаженной передачи ТВ сигнала. В процессе передачи по каналу связи сигнал может подвергаться различным преобразованиям, но на выходе должен восстанавливаться полный ТВ радиосигнал.
В приемном устройстве 8 происходит усиление телевизионного радиосигнала по высокой и промежуточной частотам, а также его детектирование. После детектирования видеосигнал поступает на усилитель видеосигналов Р, где происходит усиление сигнала до необходимой величины 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 синфаз-ность движения сканирующих элементов анализирующего и синтезирующих устройств.
Глава 2
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКОГО
И ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЙ
2.1 Характеристики оптического изображения
Процесс телевизионной передачи начинается с построения двумерного оптического изображения трехмерных предметов, расположенных в пространстве. Качество оптического изображения определяется рядом факторов и не имеет единой, обобщенной количествен-
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений
31
Рис. 2.1. К определению глубины резкости
ной оценки. Рассмотрим наиболее существенные для телевизионного преобразования характеристики оптического изображения.
Освещенность в плоскости оптического изображения Ео определяется освещенностью объекта Еов, его отражательными свойствами, характеризуемыми коэффициентом отражения роб, и параметрами объектива. Она может быть определена как
р   РобТ'EqqO ° ~ 4(1
где т — коэффициент прозрачности объектива; О = D/ f — относительное отверстие объектива, определяемое отношением диаметра его входного зрачка D к фокусному расстоянию т = Уо/уоь — линейный масштаб изображения; уо6 и уо — линейные размеры объекта и оптического изображения соответственно.
Относительное отверстие объектива регулируется с помощью диафрагмы, изменяющей диаметр входного зрачка. Фокусное расстояние объектива выбирается по известным значениям расстояния до объекта Ао (рис. 2.1) и масштаба изображения т для получения репродукции с крупным, средним или тому подобным планом; с достаточной точностью при малых значениях т фокусное расстояние может быть определено как f & тАо.
Четкость оптического изображения характеризуется качеством воспроизведения мелких деталей и определяется разрешающей способностью объектива.
Наличие аберраций (искажений изображений, возникающих в оптических системах) приводит к тому, что точка воспроизводится в виде некоторого кружка, а две близко расположенные светлые точки на объекте сливаются в одну на изображении. Минимальное 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
32
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
белых линий на. J мм, воспроизводимых на изображении. Аберрации уменьшаются с приближением пучков к параксиальным, поэтому разрешающая способность объектива увеличивается при диафрагми-/юаании, т.е. при уменьшении относительного отверстия. Однако это справедливо до тех пор, пока О > 1/20. Дальнейшее уменьшение о гное игольного отверстия приводит к возрастанию дифракционных явлений, снижающих разрешающую способность.
При передаче изображений объектов, протяженных по глубине, разрешающая способность объектива реализуется лишь для деталей, расположенных на одном от него расстоянии Ао, т.е. в плоскости .So, сопряженной с плоскостью резкого изображения (см. рис. 2.1). 'Точки, расположенные дальше и ближе к этой плоскости, например в плоскостях Si и 5*2 соответственно, будут воспроизводиться на изображении кружками различных диаметров (кружки размытия). Глубина резкости — глубина воспроизводимого пространства ДА = 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//'	(2.1)
следует, что при Ао > /', Ао > ДА и аод,2 ~ Г глубина резкости
2h 1
ДА - ДА! + ДА2 = Ах - А2 « —	.	(2.2)
z От2
Учитывая, что для каждого типа преобразователя свет-сигнал высота изображения h жестко задана его конструктивными особенностями, глубина резкости практически определяется относительным отверстием объектива и квадратом линейного масштаба изображения. Требуемое значение глубины резкости зависит от характера изображения и от художественного замысла режиссера: она не должна быть слишком большой, чтобы «не засорять» изображение «лишними» деталями, например тонкой структурой декораций, и в то же время не должна быть слишком малой, чтобы обеспечить качественное воспроизведение изображений актеров при их перемещении в рабочем пространстве сцены.
Геометрические (координатные) искажения, возникающие в оптической системе, 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
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений
33
(наклон камеры вниз или вверх). Поворот преобразователя вокруг оптической оси (наклон камеры влево или вправо) приводит к диагональной композиции и т.д.
По мере удаления предметов от объектива уменьшается масштаб их изображения, и удаленное пространство как бы сжимается — две параллельные линии, уходящие от наблюдателя, сходятся в одну точку. Такая точка называется точкой схода, а сама трансформация пространства на изображении называется перспективой. Точка схода тем ближе, чем больше угол зрения системы. Искажения перспективы наблюдаются тогда, когда одно и то же ограниченное пространство рассматривается под разными углами зрения — глазом и передающей ТВ камерой. В прикладных телевизионных системах, когда необходима документальная точность, все эти искажения должны жестко регламентироваться.
Количественное нормирование параметров оптических изображений, и в частности изображения на экране приемника, обязательно должно учитывать параметры и характеристики зрительной системы.
2.2. Зрительная система. Основные параметры телевизионного изображения
Зрительная система. Получение зрительной информации о внешнем мире — форме вещей, их пространственном расположении, цвете, движении и т.п. осуществляется с помощью зрительной системы. Зрительная система состоит из органа зрения — глаза, нервной системы и зрительного центра коры головного мозга. Глаз представляет собой оптическую систему с углом зрения порядка 120°, которая с помощью хрусталика формирует изображение окружающих нас предметов на сетчатке. Последняя образует светочувствительную поверхность дна глазного яблока. Оптическая система глаза легко управляется с помощью хорошо организованного мышечного аппарата. Так, путем изменения кривизны хрусталика глаз автоматически фокусирует изображение тех предметов, которые мы хотим рассмотреть в данный момент. Диапазон фокусировки охватывает предметы, удаленные от наблюдателя на десятки сантиметров и до бесконечности. Кроме того, оптическая ось глаза автоматически устанавливается так, чтобы подвергающееся рассматриванию изображение проецировалось на центральную часть сетчатки (фовеа) с наибольшей разрешающей способностью.
Сетчатая оболочка глаза представляет собой мозаику из светочувствительных нервных окончаний. Существует два вида нервных окончаний — фоторецепторов: колбочки и палочки. Колбочки — рецепторы аппарата дневного зрения. Дневное зрение характеризуется малой светочувствительностью, но большой разрешающей способностью и цветоразличительными свойствами. Палочки — рецепторы аппарата сумеречного зрения, не обладающего способностью
3
34
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
различать цвета и имеющего малую разрешающую способность, но большую световую чувствительность. Центральная часть сетчатки (с угловыми размерами 1...30) содержит только колбочки, а перифи ри я колбочки и палочки. Причем плотность колбочек убывает с удалением от центра, а плотность палочек почти постоянна. Фоторецепторы через сложную нервную систему связаны со зрительным центром головного мозга.
Световое раздражение сетчатки вызывает появление электрических импульсов с различными частотами повторения, которые по сложным цепям проводящей системы поступают к головному мозгу. Прежде чем сигнал поступит в вышележащие отделы, он подвергается сложной обработке — кодированию. Механизмы анализа зрительной информации, ее обработки, кодирования и дешифровки еще далеко не изучены.
При реализации различных систем воспроизведения изображений необходимо обеспечить рациональное приближение изображения к образу, непосредственно воспринимаемому зрением. Поэтому при построении ТВ системы необходимо соответствующим образом согласовать ее параметры со свойствами зрительной системы.
Рассмотрим характеристики зрительного восприятия и оценим ориентировочные значения основных параметров ТВ изображения.
Число строк. Формат кадра. Предельная способность зрительной системы видеть мелкие детали определяется разрешающей способностью (остротой зрения). Различают два вида остроты зрения: в плоскости, нормальной к оптической оси глаза, и по глубине деталей. Последнюю принято называть остротой глубинного или стереоскопического зрения. И та и другая острота зрения зависят от разрешающей способности сетчатки глаза и его оптической системы. Для нормального зрения доминирующую роль играет разрешение сетчатки. Однако определять остроту зрения только по статическим характеристикам нельзя. Глаз — динамическая оптическая система. Процесс зрения сопровождается непроизвольными движениями глазного яблока — тремором. Кроме того, оптическая ось глаза обегает контуры (границы раздела полей разной яркости) изображения, как бы выбирая наиболее существенную информацию. Эти движения глаза оказывают весьма существенное влияние и на остроту зрения, увеличивая ее по сравнению со статической (расчетной).
Рассмотрим усредненные характеристики глаза для большого числа наблюдателей с нормальным зрением. Разрешающая способность глаза характеризуется наименьшим угловым расстоянием б между двумя светящимися точками, при котором наблюдатель видит эти точки раздельно. Минимально разрешаемое расстояние изменяется в значительных пределах при изменении яркости наблюдаемых точек и их контраста относительно фона. На рис. 2.2 приведена экспериментальная зависимость остроты зрения V (величины, обратной 6), отнесенной к значению Рф соответствующему <5 = 1', от
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений
35
Рис. 2.2. Зависимость относительной остроты зрения V/Vq от яркости L
Рис. 2.3. Изменение относительной остроты зрения по мере удаления от центрального углубления сетчатки на угловое расстояние а
яркости L. Характер этой зависимости может быть объяснен следующим образом. Малые световые сигналы не в состоянии вызывать в одном нервном окончании (рецепторе) сигнал, отличающийся от собственных шумов и флуктуаций квантов падающего света. Поэтому при малых световых раздражениях сигналы от нескольких рецепторов, объединяющихся в один элемент приемника {рецептивное поле), суммируются, что увеличивает световую чувствительность, но снижает разрешающую способность. По мере увеличения освещенности площадь рецептивного поля (за счет уменьшения числа объединенных рецепторов) уменьшается, и разрешающая способность растет. Однако площадь рецептивного поля может убывать лишь до значения, определяемого размерами одного рецептора, поэтому предельная разрешающая способность ограничивается раздельным возбуждением двух рядом лежащих нервных окончаний сетчатки. Этим объясняется верхний загиб кривой рис. 2.2.
В практике телевидения максимальные значения яркостей экрана приемной трубки достигают примерно 200... 300 кд/м2. При этом для «стандартного» глаза разрешающая способность определяется минимальным угловым расстоянием <5min = 1' при достаточно большом контрасте и неограниченном времени наблюдения.
Из-за неоднородностей структуры сетчатки острота зрения уменьшается по мере удаления от центрального углубления этой оболочки на угловое расстояние а° (рис. 2.3). Хотя поле зрения глаза весьма велико (порядка 120... 130°), основная зрительная информация, поступающая в глаз, сосредоточена в пространственном угле ясного зрения оя. Приняв размеры поля ясного зрения по вертикали О'яв = 12° и по горизонтали аяг = 16° и положив разрешение глаза <5пйп = получим число регистрирующих информацию элементарных участков в поле ясного зрения
М, = (a«r/6min)(a«B/<5min) = (16 • 60/1)(12 • 60/1) = 0,7 • 10е.
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 2.4. К определению числа строк разложения изображения (а) и четкости изображения в вертикальном направлении (б)
Назначением ТВ системы является создание репродукции оптического изображения. Телевизионное изображение должно обеспечивать отображение передаваемого образа таким же, каким его воспринимает зритель при непосредственном наблюдении. Однако для начального этапа построения ТВ систем было характерно использование более простых технических решений по статистическому согласованию параметров ТВ систем со свойствами зрительной системы. В частности, для сокращения объема передаваемой информации были уменьшены поле зрения, разрешающая способность ТВ систем и число мельканий изображения, а также не передавалась информация о его цвете и объеме. В то же время применялись системы более простые в реализации, но с большой информационной избыточностью — с постоянными неадаптируемыми параметрами для передачи обширного ансамбля всевозможных изображений. Подобным образом были реализованы вещательные ТВ системы с «постоянной» разрешающей способностью во времени и в пространстве (по полю изображения) для наблюдения любых статических и динамических изображений только в пространственном угле, равном углу ясного зрения а°.
Исходя из этого условия и в соответствии с форматом центральной зоны сетчатки (называемой желтым пятном} была выбрана величина формата кадра k = b/h — 4/3, где 6, h — ширина и высота кадра соответственно (рис. 2.4). Для рассмотрения ТВ изображения, расположенного в угле ясного зрения наблюдатель должен находиться от экрана приемной трубки на определенном расстоянии, на котором изображение полностью проецируется в зону ясного зрения. Из геометрических соображений оптимальное расстояние рассматривания можно определить как /опт ~ 57i. При меньшем расстоянии изображение не полностью проецируется в зону сетчатки с максимальной разрешающей способностью, а при большем — в эту зону попадают и посторонние объекты, окружающие экран ТВ приемника.
Число элементов разложения изображения N также должно со-огв<*’!'( твовать числу элементарных участков поля ясного зрения Nn. Коли принять конфигурацию элемента разложения в виде квадрата
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений
37
или окружности (для одинаковой четкости изображения в вертикальном и горизонтальном направлениях), то число элементов разложения изображения определится как N = kz2 (где z — число строк, т.е. число элементов по вертикали; kz — число элементов в строке).
Тогда для опознавания 1\>я деталей в неподвижном изображении в ТВ системе с неподвижным (статическим) растром число элементов разложения должно быть N 4АГЯ из-за того, что между деталями должны воспроизводиться и промежутки по вертикали и горизонтали размером не менее одного элемента разложения. Отсюда требуемое число строк разложения при данных условиях определится как
z > 2-jNyJk = 2^0,7-106-3/4 « 1400.
Однако взаимное расположение деталей и строк растра может быть различным (см. рис. 2.4,6). В зависимости от этого в вертикальном направлении будут воспроизводиться детали размером либо h/z, либо 2h/z. Это делает неоднозначным оценку значения четкости изображения по вертикали; поэтому для уверенного различения в ТВ изображении 0,7-106 деталей необходимо использовать еще большее число строк разложения.
В настоящее время только ТВ системы высокой четкости (ТВЧ) приближаются к подобным требованиям. Но реализация систем ТВЧ в вещании осложнена весьма значительным увеличением требуемой полосы пропускания каналов связи из-за соответствующего расширения спектра ТВ сигнала. Системы же с искусственным тремором растра также сложны в реализации.
Для вещательной системы, использующейся в нашей стране, в конце 40-х годов было выбрано число строк разложения z — 625 (ГОСТ 7845-92). Число строк разложения z — 625 определяет номинальную четкость ТВ изображения. При этом различимость строчной структуры растра на оптимальном расстоянии рассматривания оказывается вблизи порога разрешающей способности глаза. В то же время подобная система в принципе может обеспечивать воспроизведение как одиночных деталей, так и множества черно-белых деталей N = kz2 & 0,5 • 106 с шахматной структурой расположения, по размеру равных одному элементу разложения h/z. Размер воспроизводимых деталей обычно оценивается в относительных единицах как определенная часть высоты изображения h.
Число кадров, передаваемых в одну секунду. Частота мельканий. Зрительное восприятие дискретно во времени. Одиночный световой импульс длительностью to может быть обнаружен только при условии, что время действия его на глаз конечно, т.е. t-о £кР (рис. 2.5). Причем время £кр зависит от освещенности сетчатки Ео, т.е. от мощности сигнала. Иными словами, установлено, что EotKp = const. При переменном значении Eo(t) суммарное воздействие светового сигнала должно достигнуть вполне определенного
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 2.5. Визуальное ощущение яркости Ьвиз(О/^визтах периодически излучающего источника С яркостью Lo/Lomax
значения для его обнаружения:
/ Eo(f)dt = const.
Jo
Минимальное время накопления имеет граничное значение £кр, называемое критической длительностью. Различные исследования дают большие расхождения в значениях £кр, что объясняется различными условиями проведения опытов: tKp меняется в пределах от сотых (при больших яркостях) до десятых (при малых яркостях) долей секунды.
После прекращения действия светового потока, возбуждающего сетчатку (см. рис. 2.5), глаз как бы продолжает «видеть» источник с яркостью, спадающей во времени по экспоненциальному закону
^виз(^)/-^визтах = (Lq/Lq max )ехр(—i/т),
где LBM3(f)/LBM3max — значение визуальной яркости во время f, прошедшее после прекращения возбуждения; £оМотах — яркость возбуждения; т « 0,05...0,1 с — постоянная времени, характеризующая инерцию зрения и отсчитываемая как т = t, при котором кажущаяся яркость уменьшается в е раз. Постоянная времени т является функцией яркости и уменьшается при ее увеличении.
Параметр т определяет критическую частоту мельканий /кр, представляющую собой наименьшую частоту повторения импульсных возбуждений сетчатки, при которой наблюдатель перестает замечать изменение светового потока и воспринимает его как непрерывное излучение.
Критическая частота мельканий яркости источника зависит от средней яркости поля наблюдения (яркости адаптации), размеров мелькающего участка и т.д. Зависимость критической частоты мельканий от яркости подчиняется общему психофизическому — логарифмическому закону зрительных восприятий:
/кр = G-о J-'cp 4"	(2-3)
где /Лр средняя яркость, кд/м2; &о = 9,6; Ъ$ = 26,8 — коэффициенты, установленные опытным путем.
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений
39
При частоте повторения, равной или большей критической, визуальная яркость Lcp прерывисто излучающего источника может быть определена как средняя за период повторения Т — закон Тальбота:
= 1 £ L0(t)dt.	(2.4)
Дискретное во времени воспроизведение изображений отдельных мгновенных положений (фаз) движущихся предметов воспринимается как слитное движение, если число фаз (кадров) в единицу времени больше или равно некоторому числу п$ и если смещение предмета в соседних фазах незначительно, т.е. если относительная скорость движения предмета в кадре невелика.
Из многолетнего опыта кино установлено, что для восприятия плавного движения объекта в большинстве случаев достаточно передавать порядка 20 отдельных фаз движения в одну секунду. Поэтому с учетом (2.3) и (2.4) для съемки и воспроизведения изображений в современных системах кино выбрано 24 неподвижных кадра в одну секунду. Однако при этом частота мельканий /мк киноэкрана получается значительно меньше критической. Для того чтобы fMK > /кр, приходится перекрывать световой поток кинопроектора непрозрачной заслонкой — обтюратором, не только при продергивании пленки во время смены кадра, но и дополнительно еще один раз во время проекции неподвижного кадра на киноэкран. Тогда /мк = 48 Гц, что для киноизображений в большинстве случаев является достаточным.
По аналогии в ТВ вещании число кадров п, передаваемых в одну секунду, было принято равным 25. При этом частота мельканий яркости экрана /мк = 2п = 50 Гц за счет использования чересстрочного разложения (см. гл. 3) и соответствует частоте кадровой развертки. Это было сделано из соображений равенства ее частоте промышленной сети для уменьшения заметности помех от электросети — характерных динамических (геометрических и яркостных) искажений изображения.
Однако в телевизионных системах процесс воспроизведения изображений с относительно большими значениями средней яркости экранов значительно более сложен, чем в кино. Яркость каждой точки киноэкрана практически постоянна во время проекции одного кадра в течение около 20 мс (с учетом перекрытия светового потока обтюратором). В телевизионном же изображении каждая точка экрана возбуждается электронным лучом кинескопа только в момент передачи одного элемента изображения, т.е. в течение примерно 0,1 мкс. Поэтому, несмотря на весьма высокие значения мгновенной яркости экрана под электронным лучем и на послесвечение люминофора после его возбуждения, яркость каждого элемента ТВ изображения отличается большой неравномерностью в течение кадра, а. значение средней яркости сравнительно невелико и, главное, зна-
<10
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
интельно меньше мгновенной под лучом. Как следствие, при проеме ripe ТВ передач на расстоянии меньшем оптимального эта неравномерность становится заметной, особенно на сравнительно больших деталях. Поэтому увеличение частоты мельканий яркости экрана до 100 Гц (за счет использования в современных приемниках электронной памяти для повторного воспроизведения кадров) позволяет улучшить качество воспроизведения изображений.
Для опознавания образа он должен наблюдаться на экране не менее 4... 5 с, что определяется пропускной способностью зрительной системы. Это справедливо как для движущихся, так и для неподвижных объектов передачи — заставок, титров, пейзажей и т.п. Изображение последних в принципе достаточно передать один раз, а воспроизводить за счет использования электронной памяти в течение длительного времени. Аналогично можно уменьшить число передаваемых фаз движения для воспроизведения изображений медленно движущихся объектов. Подобные меры по уменьшению информационной избыточности и соответственно упрощению каналов связи реализуются в современных ТВ системах за счет применения в цифровых участках системы преобразований видеоинформации (см. гл. 13).
Контраст. Число полутонов (градаций яркости). При наблюдении объектов или их изображений существенную роль играет диапазон изменения яркости L — от минимальной Lmin до максимальной Lmax. Его принято характеризовать максимальным контрастом /<тах = Tmax/Lmin. В пределах этого диапазона ощущение изменения яркости пропорционально не абсолютному приращению яркости AL = \Li — Z/21, а логарифму ее относительного изменения 1п(ДТ/Т2)< Однако глаз не способен обнаружить сколь угодно малые приращения яркости. Контрастная различительная способность глаза также дискретна, как и его разрешающая способность. Она ограничивается квантовыми флуктуациями света и собственными шумами зрительной системы.
Минимальное (пороговое) значение яркости светового пятна, обнаруживаемое глазом на черном фоне (при темновой адаптации), называется абсолютным порогом световой чувствительности. На практике чаще приходится различать отдельные детали на некотором фоне с яркостью Гф; при этом глаз реагирует на относительное приращение яркости (L — £ф)/£ф = ДЛ/Лф. Отношение (AL/Г/ф)пор при AL = ALmin называют пороговым контрастом, который зависит от яркости фона, угловых размеров детали и фона, а также других параметров. Зависимость порогового контраста от изменения яркости фона и размера деталей г показана на рис. 2.6. В рабочем диапазоне изменения яркости фона (яркости адаптации) Ьф в первом приближении можно считать, что (ДЛ/Лф)ПОр = ст — 0,02...0,005 = const.
При заданном контрасте К = LJnax/LJnin зритель может воспринять вполне определенное количество ступеней изменений яркости —
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений
41
Рис. 2.6. Зависимость порогового контраста (Д£/Гф)ПоР от яркости фона Гф и размера деталей т
полутонов, т.е. градаций яркости. Оценим их величину. Первая различимая ступень яркости Lx = L'min + (jL'min = (1 + or)L^in. Следующая ступень яркости L% будет также определяться приращением яркости первой ступени на величину	= Li + aLi = (1 + <r)2Imin
и т.д. Наконец, последняя ступень яркости Ь'тлх = (1 + a)mL'm[n. Отсюда число ступеней т или число градаций А определится как А = [In^^^/L^m)]/ 1п(1 + ст). Разлагая 1п(1 + а) в ряд и ограничиваясь первым членом этого ряда вследствие малости а, получаем
~ ln(^ax/L^in)
-AL
U £max
* Ч./
(2.5)
Яркость природных объектов может изменяться в 105 и более раз. Зрительная система не способна одновременно воспринять весь этот диапазон изменения яркости и сужает диапазон освещенностей на сетчатке из-за адаптации — приспособления к различным яркостям. Адаптация происходит за счет регулировки освещенности сетчатки путем непроизвольного изменения диаметра зрачка (быстрая адаптация) и выработки глазного пурпура — нейтрального поглощающего фильтра на поверхности сетчатки (медленная — инерционная адаптация).
Полагая, что максимальный контраст, ограничиваемый глазом, £max/£min = 100, а <т = 0,05, получаем, что максимальное число градаций, которое глаз будет различать при данных условиях, А « 92.
Яркостными параметрами ТВ изображения являются его средняя яркость (яркость адаптации) £изад, максимальная яркость Тизтах, максимальный контраст Кизтах = ^из тах/^из min И ЧИСЛО полутонов — различимых градаций яркости Лиз. Средняя яркость, соответствующая наилучшему восприятию, зависит от условий наблюдения, свойств зрения и от содержания изображений. Практикой установлено, что средняя яркость Тиз тах « 30 кд/м2 вполне достаточна для наблюдения изображения и рассматривания его деталей без особого утомления зрения. При этом максимальная яркость белых деталей изображения может достигать значений £из тах = = 200...300 кд/м2.
Средняя яркость одной и той же сцены может быть различной в зависимости от того, в какое время дня она воспроизводится: в солнечный полдень или в сумерки. Но в каждом изображении в боль-
Г’
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
in и нс тво случаев желательно наличие деталей с яркостями, близкими •< max и Тиз min —> 0, ограниченными параметрами кинескопа и условиями наблюдения изображения. Средняя яркость изображения должна изменяться при изменении средней яркости передаваемого объекта. Для этого по каналу связи от телевизионного центра до приемника передается сигнал «постоянной» составляющей (точнее медленно меняющейся составляющей), пропорциональный средней яркости оригинала (см. гл. 15).
При воспроизведении ТВ изображений динамический диапазон изменения яркости, контраст Киз тах и число воспроизводимых градаций Аиз ограничиваются:
•	параметрами кинескопа — размером экрана, яркостью Лизтах, максимальным контрастом в крупных и мелких деталях и др. (см. гл. 7);
•	рациональным выбором режима работы кинескопа — яркостью и контрастом (размахом ТВ сигнала при фиксированном уровне черного), устанавливаемых с помощью оперативных органов управления;
•	условиями наблюдения изображения — расстоянием рассматривания, внешней и внутренней (от соседних участков) паразитными засветками экрана, размерами деталей и всего изображения в целом.
Ухудшение условий наблюдения затрудняет распознавание объектов из-за увеличения порогового контраста. Паразитные засветки Тпар снижают максимальный контраст репродукции Киз тах, который и так из-за малых размеров экрана и малой средней яркости (по сравнению с соответствующими параметрами оригинала) в большинстве случаев меньше максимального контраста оригинала Ко тах:
iyrl ___ -^из max 4" Тпар	-г
•‘'•из max — ~г	. г < из max < max
•Ьиз min + Ьпар
Указанные причины приводят к тому, что в репродукции на экране кинескопа в соответствии с (2.5) уменьшается и число градацией оригинала Ао, т.е. Аиз < Ао. Поэтому повысить качество изображения в ТВ системе можно только за счет улучшения параметров кинескопа и перераспределения градаций по динамическому диапазону изменения яркости репродукции Тиз mjn .. .Тиз 1пах, а также за счет адаптации ТВ системы к конкретным передаваемым изображениям из широкого ансамбля изображений с разными яркостными параметрами. Последнее осуществляется с помощью специфического освещения передаваемых сцен в соответствии с замыслом творческих работников — режиссеров и операторов, а также с помощью ручного или автоматического изменения параметров оптической ( истомы (диафрагмированием, использованием светофильтров и 1.д.). режима работы передающихся трубок, уровня черного, контраста и т.д. [10, 11].
(2-6)
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений
43
Рис. 2.7. Форма характеристики передачи уровней яркости ТВ системы при различных значениях ус
Перераспределение градаций по динамическому диапазону изменения яркости ТВ изображения осуществляется с помощью изменения формы характеристики передачи уровней яркости системы (от «света до света») в так называемых гамма-корректорах (см. гл. 15). Эта характеристика (за исключением небольшого участка вблизи уровня черного) может быть аппроксимирована степенной функцией
Т / т \ 7с
L^=	,	(2.7)
T'o max х-^изшах/
где ТО5 Ьиз — яркости объекта и ТВ изображения соответственно.
Очевидно, что при ус = 1 имеет место линейная зависимость яркости деталей изображения от яркости соответствующих деталей оригинала Тиз = Lo и пропорциональное воспроизведение полутонов по всему диапазону изменения яркости репродукции (рис. 2.7). Однако в этом случае при Аиз < Ао несколько градаций объекта воспроизводятся лишь как одна градация репродукции. Как следствие, распознаваемость объектов ухудшается.
При ус < 1 за счет увеличения крутизны характеристики в области уровня черного подчеркивается различие и улучшается опознавание мало освещенных деталей, но за счет уменьшения полутонов и ухудшения распознаваемости деталей, яркость которых лежит вблизи уровня белого. При ус > 1 улучшается опознавание «белых» деталей (за счет «черных»). Этот случай наиболее приемлем не только для черно-белых, но и для цветных кино- и ТВ систем, несмотря на некоторые искажения цветности объектов, так как сюжетпно важные детали, как правило, находятся в области большей освещенности. Поэтому практикой кино и ТВ установлено, что наилучшее качество изображения в большинстве случаев наблюдается при ус — 1,2 ... 1,3.
2.3. Особенности восприятия цвета и объема
Восприятие цвета. Ощущение белого цвета соответствует раздражению сетчатки зрительной системы световым потоком, имеющим равномерный спектр в видимом диапазоне А « 380...780 нм. Равные по мощности, но различные по спектральному составу световые раздражения вызывают неодинаковое яркостное восприятие.
44
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Относительное визуальное восприятие яркости в зависимости от длины волны характеризует относительную спектральную чувствительность глаза и называется кривой относительной видности (см. рис. 1.3,5). Максимум чувствительности зрительной системы лежит в области А = 555 нм (желто-зеленая область). Как в сторону коротких волн (сине-фиолетовая область), так и в сторону длинных (красная область) чувствительность падает.
При наблюдении окружающего мира глаз видит предметы, отличающиеся не только по яркости, но и по окраске. При этом их можно сравнивать как по цвету, так и по условной яркости — светлоте. Например, два равноизлучающих поля (желтое и синее) воспринимаются как поля с разной светлотой. При воспроизведении изображений в одном цвете наблюдатель лишен возможности сравнивать предметы по их окраске и может отличать их лишь по светлоте.
Ощущение цвета возникает при раздражении сетчатки световым потоком с резко выраженной неравномерностью спектра. Дополнение любого цвета белым не меняет его цветового тона, а создает лишь впечатление блеклой окраски (пастельного цвета). Таким образом, физиологически (субъективно) световой поток характеризуется светлотой — определенным количеством цветового излучения, эквивалентным излучению некоторого поля серой шкалы, и цветностью — качественным отличием данного цвета от других. Цветность светового потока, в свою очередь, определяется цветовым тоном и насыщенностью. Цветовым тоном называют характерное свойство потока, отличающее его от белого и серого, а насыщенностью — степень различия ощущения цветности данного излучения от ощущения цветности белого.
Физическими (объективными) параметрами светового потока являются: яркость L, доминирующая длина волны А — доминанта, и чистота цвета р, определяющая степень разбавленности его белым. Доминанта, т.е. длина волны А монохроматического излучения, которое в смеси с белым создает ощущение данного цвета, численно определяет его тон, а чистота цвета р численно определяет насыщенность цвета и равна отношению яркости спектрального цвета L\ к суммарной яркости смеси: р — L\I(L\ + L§), где — яркость белого цвета, входящего в смесь.
Каждый из субъективных параметров является качественным отражением в нашем сознании соответствующих физических параметров светового потока. Между объективными и субъективными параметрами существует качественное соответствие, но отождествлять их нельзя.
В основе изучения цветового зрения лежит трехкомпонентная теория цветового восприятия, высказанная русским ученым М.В. Ломоносовым еще в 1756 г. и наиболее полно разработанная полтора века спустя Г. Гельмгольцем. Трехмерная теория допускает суще-
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений
45
Рис. 2.8. Кривые чувствительности глаза к основным цветам: синему В, зеленому G и красному R
Фиолетовый	Синий	Зеленый	Желтый	Оранжевый	Красный
ствование в нашем органе зрения трех видов рецепторов, селективно (раздельно) реагирующих на красный R, зеленый G и синий В цвета (рис. 2.8). Масштаб кривых выбран таким, чтобы ограничиваемые ими площади были равны в предположении, что одинаковое возбуждение всех трех приемников вызывает ощущение белого цвета.
Существует ряд других теорий светового зрения — четырехкомпонентная, семикомпонентная, а в последнее время разрабатывается и нелинейная теория восприятия цветов. Однако в теории и практике цветного телевидения, цветных фотографий и кино в настоящее время широко используется только трехкомпонентная. Согласно ей красный R, зеленый G и синий В цвета являются основными — вза-имонезависимыми, т.е. ни один из них не может быть получен смешением двух других. Все же остальные цвета, в том числе и белый, могут быть получены смешением трех основных.
Для реализации цветной репродукции необходимо передавать в том или ином виде информацию о трех цветоделенных изображениях, соответствующую содержанию передаваемой сцены. В простейшем случае для этого достаточно передать три сигнала основных цветов E(r, E'g и Е'в. Особенности построения цветных ТВ систем рассмотрены в гл. 10-13.
Восприятие объема. Объемность деталей и их расположение в пространстве воспринимаются с помощью как бинокулярного зрения, так и монокулярного (одним глазом). При монокулярном зрении объем оценивается через степень напряженности мышц, управляющих поворотом глаза, кривизной хрусталика (аккомодация) и размером зрачка (адаптация), изменяющихся при наблюдении разноудаленных предметов. Все эти факторы трудно использовать для построения стереоскопической ТВ системы.
Доминирующую роль в глубинном зрении играет бинокулярное наблюдение предметов. Важнейшим параметром глубинного зрения является глазной базис — расстояние между оптическими осями глаз. Для «стандартного» глаза глазной базис принимается равным 65 мм (рис. 2.9,с).
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 2.9. Бинокулярное наблюдение одиночных предметов
Рис. 2.10. К определению порога глубинного зрения
При рассмотрении удаленных предметов оптические оси глаз параллельны. По мере приближения предмета к наблюдателю оптические оси сводятся (конвергируют) и скрещиваются на наблюдаемом предмете (рис. 2.9,6). Угол /3, под которым скрещиваются оси, называется углом конвергенции. Если в поле зрения имеются два разноудаленных объекта М и Q (рис. 2.10), то параллактические углы конвергенции и для них различны. Разность параллактических углов 6 = Да = Qi — а2 называется угловым параллаксом. Минимальный угловой параллакс <5Г, которому соответствует минимально различимое восприятие глубины, называется порогом глубинного зрения. Среднее его значение (10...20)". Острота глубинного или стереоскопического зрения определяется как величина, обратная порогу глубинного зрения 1/<5г.
Наличие углового параллакса приводит к тому, что отрезок МQ имеет различные по длине проекции на сетчатки левого и правого глаза, т.е. ?плдл нгпрс[пр. Разность длин отрезков |тлдл — тпр<7Пр| называется линейным параллаксом и определяет механизм восприятия глубины.
Из краткого анализа особенностей восприятия объема следует, что для реализации стереоскопической ТВ системы необходимо передавать и воспроизводить два изображения соответственно для правого и левого глаза. Это осуществляется с помощью двух ТВ камер с базисом 65 мм (не менее) и специального воспроизводящего устройства. Для возникновения стереоэффекта в подобном приемнике «левое» и «правое» изображения должны рассматриваться только соответствующими глазами. Особенности построения подобных (‘истом рассмотрены в гл. 21.
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала
47
Глава 3
ФОРМА И СПЕКТР ВИДЕОСИГНАЛА
3.1.	Принципы построчной (прогрессивной) развертки
Разверткой изображения называется перемещение развертывающего элемента в процессе анализа или синтеза изображения по определенному периодическому закону. Оптическое изображение сначала фотоэлектрическим преобразователем в виде электроннолучевой трубки или твердотельной передающей матрицы превращается в электрический сигнал, мгновенные значения которого пропорциональны яркости передаваемых участков изображения, — видеосигнал. В ТВ приемнике электрический сигнал снова превращается в оптическое изображение с помощью электронно-оптического преобразователя в виде кинескопа или с помощью плоской матрицы светоизлучающих элементов.
Телевизионное изображение, получаемое за период кадра (ТВ кадр), состоит из совокупности (до сотен тысяч) элементов — минимальных площадок, различаемых и воспроизводимых ТВ системой. Используются процессы последовательного во времени преобразования цвета или яркости элементов изображения объектов в электрические сигналы (ТВ анализ изображения) и электрических сигналов в цвет или яркость элементов ТВ изображения (синтез ТВ изображения). Перемещение развертывающего элемента в процессе анализа и синтеза изображения по определенному периодическому закону называется разверткой изображения. Развертывающий элемент может быть реализован в виде электронного луча (электронная развертка), светового (лазерного) луча, светочувствительного элемента в твердотельном датчике видеосигнала и т.д.
Рассмотрим некоторые требования, предъявляемые к развертке. Развертка может осуществляться по различным законам. В различных областях техники используют радиальную, спиральную, синусоидальную, линейно-строчную и другие виды разверток. Однако во всех случаях закон развертки на передающей и приемной сторонах должен быть одинаков, иначе появятся координатные искажения воспроизводимого изображения. Кроме того, развертки должны быть синхронными (равенство частот) и синфазными (совпадение фаз). Невыполнение первого требования, т.е. отличие частот строчной или (и) кадровой развертки воспроизводящего устройства от таковых на передающей стороне ТВ тракта влечет за собой невозможность получения и просмотра устойчивого изображения на экране телевизора или монитора. Если же частоты разверток равны, но
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 3.1. Линейно-строчная развертка:
а — принцип линейнострочной развертки; 6— синхронизация разверток
есть фазовые различия, т.е. моменты начала разверток не совпадают, то изображение будет сдвинутым по горизонтали или вертикали, может быть «разорвано» на две части, начинают просматриваться интервалы гасящих импульсов.
В ТВ вещании используется наиболее простой для реализации закон развертки — линейно-стр очная периодическая развертка, когда разложение изображения осуществляется с постоянной скоростью слева направо, прочерчивая строку изображения (прямой ход строчной развертки), и одновременно сверху вниз (прямой ход кадровой развертки) (рис. 3.1,а). Быстрый возврат развертывающего элемента справа налево и снизу вверх происходит во время обратны:!: ходов разверток; сумма времени прямого и обратного ходов составляет период развертки, причем период строчной развертки намного меньше периода кадровой.
Рисунок, образуемый обегающим электронным или световым лучом на поверхности экрана или мишени электронно-лучевого прибора.. называют ТВ растром. Элементы на передаче и приеме будут
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала
49
Рис. 3.2. Форма отклоняющих токов при построчной развертке
иметь одинаковые координаты в пределах растров (рис. 3.1,6), если по ТВ каналу будет передаваться не только видеосигнал, но и дополнительный (служебный) сигнал — сигнал синхронизации приемника, содержащий импульсы строчной и кадровой частот. Обычно оба эти сигнала совмещаются, а в приемнике разделяются по уровню. Совмещенный сигнал называют полным сигналом яркости.
Развертка, при которой все строки растра развертываются за один период вертикальной развертки в непрерывной последовательности (1-я, 2-я, 3-я и т.д.), как изображено на рис. 3.1, называется построчной (прогрессивной). Форма отклоняющих токов строчной (г2) и кадровой (гк) частот в случае построчной развертки показана на рис. 3.2. Видно, что периоду кадровой развертки Тп соответствует целое число периодов строк Tz. Во время прямых ходов (Ti) токи линейно нарастают, т.е. скорости разверток по горизонтали и вертикали постоянны: vr — const и иъ — const. Это позволяет избежать некоторых искажений воспроизводимого изображения — изменения яркости и четкости по полю изображения. Действительно, при нелинейном законе развертки время нахождения развертывающего электронного луча на отдельных элементах растра будет различно и яркость этих элементов на люминофорном экране кинескопа тоже будет неодинакова. Кроме того, при этом меняется скорость развертки (£эл = var), и для некоторых элементов, для которых скорость развертки максимальна, частота ВЧ составляющих спектра видеосигнала может превысить 6 МГц, и в канале связи они будут ограничены. Что же касается обратных ходов (Тг), то линейную форму, изображенную для простоты на рис. 3.2, выдерживать не обязательно, так как возврат электронного луча в исходное состояние к началу прямого хода зритель не видит — на воспроизводящее устройство подаются специально сформированные гасящие импульсы (ГИ), причем тги >
На рис. 3.2 показана также зависимость положения воспроизводимого элемента на строке от значения тока развертки. При отсутствии постоянной составляющей тока его среднее (нулевое) значение
4
•г>()
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Таблица 3.1
1 ’.1 ни*]) тка	Значения параметров разложения изображения						
	/, Гц	Т, мс	Т1, мс	Т2, мс	Такт,	Тги, мс	7 ГИ/Т
//	15625	0,064	0,057	0,007	0,052	0,012	а = 0,18
V	50	20	19	1	18,4	1,6	/3 = 0,08
соответствует середине строки, а максимумы положительных и отрицательных амплитуд — правому и левому краям растра.
В табл. 3.1 приведены номинальные значения некоторых параметров разложения изображения для горизонтальной Н и вертикальной V разверток, в том числе абсолютные (тги) и относительные (тги/Т) длительности ГИ и длительности активной части строки и кадра Такт. Точные значения (с допусками) этих и других параметров, определяющих систему вещательного ТВ, приведены в [12]. Здесь отметим только, что средняя нестабильность частоты строк A fz /fz в сигнале отечественной системы цветного ТВ SEC AM не должна превышать 10“6, т.е. ±15625 • 10-6 ~ ±0,016 Гц. Этому соответствует нестабильность периода импульсов с частотой строк ATT = Tz(Afz/fz) — (1/15625) • 10-6 « ±0,06 нс, что необходимо для международного обмена программами цветного ТВ со странами, в которых принята другая система цветного ТВ — PAL.
Как видно из табл. 3.1, реально обратный ход вертикальной развертки занимает около 1 мс (5 % периода), или около 15 строк. Они будут воспроизводиться в виде наклонных линий, если на воспроизводящее устройство не подавать ГИ. На рис. 3.1,а и 3.2 для упрощения графических построений время обратного хода кадровой развертки значительно уменьшено — до значения времени обратного хода строчной развертки.
В заключение подытожим основные требования, предъявляемые к ТВ разверткам: одинаковый закон разверток на передающей и приемной сторонах ТВ системы; простой закон формирования отклоняющих токов (линейно-строчная развертка в ТВ вещании); постоянство скоростей разверток на прямых ходах; синхронность и синфазность разверток передающей и приемной сторон ТВ тракта; отклонение частоты строк от номинальной не должно превышать ±0,016 Гц.
3.2.	Форма видеосигнала
Величина видеосигнала, получаемого на выходе фотоэлектрического преобразователя (преобразователя свет-сигнал), является функцией времени и пропорциональна яркости передаваемых элементов изображения. На рис. 3.3 приведен простейший пример преобразования яркости передаваемого изображения в электрический сигнал (видеосигнал) для объекта, содержащего вертикальные черно-белые полосы (в левой части строки), и для градационного клина (справа). Видеосигнал Uc(t) = (^(L), как видно из рисунка, точно
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала
51
Рис. 3.3. Процесс образования видеосигнала:
а — передаваемое изображение; 6— сигнал при развертке строки аа
повторяет значения яркости каждой точки изображения на сканируемой строке. Изменению яркости от черного (Lmin) до белого (Lmax) соответствует изменение видеосигнала в диапазоне U4...U§. При этом предполагается, что в ТВ тракте отсутствуют нелинейные искажения ТВ сигнала, а апертура развертывающего элемента (электронного луча) исчезающе мала. Следует отметить, что длительность импульсов сигнала яркости обратно пропорциональна скорости передачи элементов, т.е. скорости развертки изображения.
Рассмотрим структуру совмещенного сигнала (полного сигнала яркости) для произвольного объекта. Его форма за период строки Tz (строчная осциллограмма видеосигнала) приведена на рис. 3.4,а, а за период кадра (кадровая осциллограмма) — на рис. 3.4,б. Видно, что видеоинформация передается только во время активной части строки и кадра, а в интервалах ГИ видеосигнал подавляется. В сигнале различают: номинальный уровень белого, соответствующий передаче нормированного белого в объекте; уровень черного, соответствующий наиболее темным элементам изображения; уровень гашения, расположенный «чернее черного» на 0...5 % для запирания ТВ преобразователей па время обратного хода развертывающих лучей; уровень синхроимпульсов, расположенных на площадках ГИ тоже в диапазоне «чернее черного».
Длительность строчного синхронизирующего импульса т2Синх = — 4,7 мкс, кадрового тКСИнх = 160 мкс = 25Н, где Н — период строки. Остальные временные параметры приведены в табл. 3.1. Если принять размах полного сигнала яркости (видеосигнал 4- синхросигнал) за 100 %, то полезная видеоинформация — от уровня ГИ до уровня белого — занимает 70 % его амплитудного диапазона, а сигнал синхронизации приемника — 30 %.
Диаметр апертуры электронного луча с/, даже хорошо сфокусированного, «математической точкой» считать нельзя. Более того,
•4;
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 3.4. Форма видеосигнала за периоды строки (а) и кадра (5)
он даже может превышать размеры некоторых мелких деталей 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. Иными словами, конечные размеры апертуры ограничивают разрешающую способность системы, т.е. четкость и резкость ТВ изображения.
Появление апертурных искажений иллюстрируется рис. 3.5, где а — объект с переменной детальностью (а = var), сканируемый развертывающим элементом с конечной апертурой d (aj — d; а-2 < d; аз d); б— форма видеосигнала 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. Если отнести значение сигнала к положению ее центра, легко построить зависимость ic(t) при прохождении границы раздела черно-белых полей.
Резкому перепаду яркостей Lmin и Тп1ах (см. рис. 3.5,а) соответствует сигнал с плавным переходом от значения ?'min к ?'шах длительностью туст. Если размеры деталей меньше размеров развертываю-
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала
53
Рис. 3.5. Апертурные искажения видеосигнала: а — объект переменной структуры; 6 — форма видеосигнала; в — апертурные характеристики видикона (1) и плюмбикона (2)
щего пятна, размах сигнала уменьшается. Если чередуются чернобелые детали, размер которых равен половине (или менее) диаметра апертуры, то сигнал пропорционален их средней яркости. Поэтому детали подобных размеров не воспроизводятся. Это иллюстрируется рис. 3.5,на котором построен сигнал изображения от полос с чередующейся яркостью £mjn и Lmax.
Зависимость глубины модуляции сигнала т = Ai (где Дг = — ^тах ~ ^min) от размера элемента (числа строк разложения z) называется апертурно-импульсной частотной характеристикой (рис. 3.5,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.
Анализируя форму видеосигнала, можно сделать следующие выводы :
54
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 3.6. Взаимосвязь видеосигнала (а), тока развертки (6) и растра (в)
1.	Видеосигнал не является гармоническим колебанием, а имеет импульсный характер: в нем могут присутствовать резкие переходы между уровнями (фронты) и плоские (одноуровневые) части импульсов.
2.	Исходный видеосигнал по своей природе униполярен и содержит постоянную составляющую.
3.	Видеосигнал можно представить как периодическую функцию с частотами повторения fz = 1/TZ и fn = \/Тп-.
Рассмотрев процессы развертки и формирования видеосигнала, определим их временную взаимосвязь и влияние на форму растра (рис. 3.6). «Момент истины» в процессе синхронизации — это начало (передний фронт) синхроимпульса. В это время прямой ход Т\ принудительно прерывается, и начинается обратный ход Т^. Обязательное требование — обратный ход должен закончиться до окончания ГИ, иначе (штриховая линия обратного хода конец обратного хода совпадет с началом активной части строки Т~акт и произойдет так называемый «заворот» изображения.
Часть растра слева и справа, а также сверху и снизу обрезается гасящими импульсами, так что видимая часть растра с размерами bh не вполне соответствует прямым ходам развертки.
3.3.	Спектр видеосигнала и его особенности
Определим границы спектра видеосигнала Д/. Он должен содержать частотные составляющие в полосе от /п„п до /1Пах и низкие частоты Д/о в частотном интервале от нуля до нескольких герц, необходимые для передачи средней, очень медленно меняющейся составляющей сигнала: Д/ = Д/о + (/min•••/max)- Нетрудно представить,
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала
55
что при построчной развертке спектр сигнала от простейшего изображения, показанного на рис. 3.7, содержит наинизшую составляющую /min = 1/Тп, равную частоте кадров fn. Эта нижняя граница спектра сохраняется и при передаче любого сложного изображения, что объясняется условиями покадровой передачи изображения.
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.
Примем время установления густ, равным времени развертки одного элемента изображения t3Jl (см. рис. 3.5), и получим верхнюю граничную частоту спектра сигнала
/max
— 1/2туст — 1/2£Эл-
(3.1)
Если формат кадра к, число строк разложения z, поминальная частота кадров /п, то число элементов в кадре Nn = Nzz = kz2 (вдоль строки растра укладывается Nz = kz элементов), число элементов, передаваемых в одну секунду, No = Nnfn — kz2fn и время передачи одного элемента изображения
1 1
" № ~к^К'
(3-2)
Из (3.1) получим, что верхняя граничная частота спектра
r _ 1 _ kz2fn max — оо
(3.3)
Как было показано (см. гл. 2), 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 = Д/г/ДгорОпт раз, где Д/г = h/z — шаг развертки по вертикали (в кадре), ДГОропт —
56
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
оптимальный размер горизонтального элемента, равный полупериоду частоты /тах, при котором достигается визуальное равенство четкости по горизонтали и вертикали. Отношение Д/г/ДГОропт называют коэффициентом Кэлла. По данным субъективных экспертиз р = 0,42...0,65. Принятые в большинстве ТВ стандартов значения коэффициента Кэлла превышают эту величину, т.е. обеспечивают запас четкости по горизонтали. Так, например, для стандартов D, К, Kl, L р = 0,814. Величину 1/р можно рассматривать как формат элемента изображения.
С учетом коэффициента Кэлла
/max = pkz2fn/2.	(3.4)
Вывод (3.4) сделан для идеализированной развертки. В действительности изображение развертывается в течение не всего периода строки Т~, а только во время прямого хода строчной развертки (1 — а)Т2, где а = Tzrn/Tz — относительная длительность строчного ГИ (см. рис. 3.7,6). Время aTz затрачивается на возврат луча к началу последующей строки. То же относится и к развертке по кадру. Время /ЗТп затрачивается на возврат луча к началу следующего кадра {(3 = ткги/Тп — относительная длительность кадрового ГИ).
Телевизионным стандартом задаются число строк z и частота кадров /п, которые будем называть номинальными. В действительности за длительность кадра полезно развертываемых (активных) строк будет га = (1 — Д)г, a (3z 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 горизонтали последнюю можно искусственно уменьшить сокращением полосы частот в 1/(1 - Д) раз.
Иначе обстоит дело со строчной разверткой. Желая передать номинальное число элементов в строке kz и сокращая длительность развертки строки за счет длительностей обратного хода, будем расширять спектр ТВ сигнала. Реальное время развертки одного элемента
<эл.р =	- a)/N- = (1 - a.)/kz2fn = #эл(1 - а),
так как Tz = 1/fz = 1/fnz, a Nz = kz. В этом случае граничная
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала
57
частота спектра сигнала
, _ ь2/™
/тах-р2(1-а)’
(3-5)
т.е. она выше номинальной, так как величина а всегда положительная и меньше единицы.
Реальные четкости по горизонтали и вертикали, как указано выше, выбираются одинаковыми, и спектр ограничивается путем сокращения полосы пропускания канала связи в 1/(1 — Д) раз, т.е.
max
Подставив в это уравнение значения коэффициентов р « 0,8, а = = 0,18 и /3 = 0,08, получим более простую формулу:
/max — 0, 9““““~“.	(3.7)
Итак, сигнал яркости — сигнал широкополосный. Его спектр охватывает полосу частот от до /1пах- Нижняя граница видеочастот /min = fn = 50 Гц. Значение /тах для построчной развертки подсчитаем, если в формулу (3.7) подставим значения параметров разложения k = 4/3, z — 625 и fn = 50 Гц:
/max = о, 9	’ в2°2'50 = 0,9  13  106 Гц = 11,7 МГц.
Как видим, при построчной развертке значение /тах 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. 3.8,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.
Попытаемся оценить тонкую структуру видеоспектра. Из теоретического анализа спектра видеосигнала с учетом законов развертки следует, что его спектр дискретный, содержащий гармоники, кратные частоте повторения строк (рис. 3.8,6). Вокруг этих гармоник строчной частоты группируются достаточно узкие полосы сигналов боковых частот, обусловленных вертикальной (в данном случае — кадровой) разверткой и движением деталей изображения. Гармоники строчной частоты со своими боковыми образуют дискретные зоны энергии, несущие информацию о передаваемом изображении.
58
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 3.8. Спектры видеосигнала в общем виде (а, 6) и при построчном (в) и чересстрочном (г) разложении
Такой характер спектра позволяет совместить два и более 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. 3.8,в) в кадре содержится целое число строк (Л — zfn) и каждая строка повторяется каждый кадр. Это значит, что расстояние между двумя соседними линиями спектра гармоник строчной частоты кратно целому числу fn. Поэтому при 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. 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
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала
59
смены кадров ТВ изображения значительно превосходит скорость движения изображений объектов передачи по экрану. Это приводит к медленным изменениям периода повторения компонентов сигнала.
Рассмотрим, как изменяется период повторения сигнала от 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 T'z будет относиться к периоду строки Tz как T’JTz — (1 — и/77*)-1, гДе — средняя скорость развертки по строке.
Выразим частоту повторения сигнала f'z через частоту строчной развертки Д:
Если положить наибольшую относительную скорость движения изображения объекта vmax = 2b в секунду, где b — длина строки, то наибольшее отклонение частоты сигнала от частоты развертки
Д/max = |Л-/'|тах = Л-А (1 - —) \ ^х J
^’тах г 26
----= fnz~r~T = 2 Гц.
Vx	JnZb
Эти изменения, наряду с изменениями среднего значения яркости объекта, составляют низкие частоты спектра видеосигнала. Они лежат в интервале от 0 до 2...3 Гц и не передаются непосредственно в видеоканале, а воспроизводятся косвенным методом.
В заключение отметим, что значение /тах однозначно 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 изображения зависит только от числа строк в ТВ растре.
3.4.	Чересстрочная развертка
Чтобы свечение экрана приемной трубки воспринималось зрителем без мельканий, необходимо повторять возбуждение всего поля экрана 48-50 раз в секунду. Однако для воспроизведения изображений движущихся объектов вполне достаточно передавать 13-16 фаз движения, т.е. статических изображений в секунду — кадров. Так как полоса частот, занимаемая спектром видеосигнала, прямо пропорциональна числу передаваемых в секунду кадров [(3.3)—(3.7)], избыточное их число необходимо ограничивать.
Избыточность числа кадров в ТВ передаче изображений устраняется применением чересстрочной развертки, сущность которой заключается в том, что полный кадр изображения развертывается, т.е.
(И)
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 3.9. Образование чересстрочного растра: а — построчная развертка при z = 7, fn = 50 Гц, fz = = 350 Гц; 6— чересстрочная развертка при z - 7, fn = 25 Гц, fz = 175 Гц; /2п = 50 Гц
передается и воспроизводится за два поля. В первом поле развертываются нечетные строки растра, а во втором — четные. Каждое из нолей представляет собой растр с уменьшенным вдвое числом строк и содержит половину зрительной информации о передаваемом изображении. Так как критическая частота мельканий практически не зависит от числа строк в растре, то частота передачи полей, равная или большая /кр, обеспечивает восприятие изображения без мельканий, при этом скорость передачи информации снижается вдвое. В ТВ вещании принято: номинальная частота полей 50 Гц и номинальная частота кадров 25 Гц.
Снова проследим процесс образования построчного растра (рис. 3.9,а). Если развертывающий элемент движется по горизонтали с постоянной скоростью, прочерчивая строку растра, и одновременно смещается по вертикали, то к концу строки он сместится вниз относительно ее начала на величину h/z, т.е. на ширину одной строки. Быстро возвращаясь к началу строки (длительностью обратного хода пренебрегаем), развертывающий элемент займет положение, соответствующее началу второй строки и т.д.
Если в качестве исходного принять растр с нечетным числом строк (рис. 3.9,а) и уменьшить вдвое скорость развертки по горизонтали, то в каждом поле получится нецелое, вдвое меньшее число строк (рис. 3.9,6), но из-за разности в полстроки строки растров первого и второго полей окажутся взаимно сдвинутыми по вертикали на ширину одной строки полного растра, т.е. строки второго поля будут ложиться между строками первого. За два периода вертикальной развертки образуется полный растр, аналогичный по числу строк исходному.
Таким образом, с помощью чересстрочной развертки удается при и ('изменных числе строк и частоте мельканий в два 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 /min = 50 Гц до ,/|||ЛЧ G МГц (см. (3.7)):
/.пах = 0,9 (Т 6252 • 2б) /2 « 6,0  106 Гц.
\ О	/
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала
61
При чересстрочном разложении каждая строка повторяется через поле [fz = zfn = (z/2)f2n]> т.е. каждый кадр один раз. Поэтому расстояние между двумя соседними спектральными линиями гармоник строчной частоты кратно целому числу а поскольку при чересстрочном разложении z является нечетным, то соответственно нечетному числу /п. Учитывая, что боковые полосы вокруг строчных линий находятся на расстояниях, кратных частоте вертикальной развертки fan, при перекрытии спектров боковые линии соседних гармоник строк не будут совпадать (см. рис. 3.8,г). Соответственно расстояние между гармониками строчной частоты через одну равно четному числу /п, т.е. целому числу Дп, так как f2n — и боковые линии спектров этих гармоник будут совпадать.
Для формирования чересстрочной развертки должны быть обеспечены следующие условия:
а)	нечетное число строк в кадре, т.е. z = 2т + 1, где т — целое число;
б)	жесткая связь частот развертки по строке и по кадру, т.е. 2/z = zfan = (2т 4- 1)/2п, обеспечивающая в каждом поле целое число строк с половиной строки.
Обычно оба эти условия выполняются при формировании частот горизонтальной и вертикальной разверток от общего задающего генератора с частотой 2fz делением на 2 и на z соответственно.
Чересстрочная развертка кратностью 2:1 применяется во всех системах вещательного ТВ для сокращения полосы частот, занимаемой ТВ сигналом. В принципе возможно дальнейшее сокращение полосы частот применением чересстрочного разложения с кратно1 стью 3:1 или 4:1. В этом случае кадр будет состоять из трех или четырех отдельных полей, строки которых последовательно воспроизводятся друг под другом. По ряду причин такие развертки не применяют. Становятся заметными мелькания строк, так как четные (или нечетные) поля повторяются с частотой 12,5 Гц (при кратности 4:1), а угловое расстояние между строчками одного поля становится больше минимального угла разрешения глаза. Уменьшается четкость изображения объектов, движущихся в вертикальном направлении с относительно большой скоростью. Ухудшается воспроизведение вертикальных границ объектов, движущихся с относительно большой скоростью в горизонтальном направлении (границы становятся зигзагообразными и наклонными). Наконец, появляется эффект скольжения строк, которые как бы перемещаются сверху вниз в пределах одного кадра. Объясняется это тем, что, когда луч чертит какую-либо строку четвертого поля, яркость ее максимальна. В то же время расположенные выше строки, прочерченные соответственно в третьем, втором и первом полях, имеют спадающий по яркости во времени характер. Создается эффект последовательного во времени разнояркостного свечения и, как следствие, — перемещение
6?
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
строк. Эти недостатки присущи любой чересстрочной развертке, но при кратности 2:1 они менее заметны.
В последние годы увеличились размеры экранов телевизоров, значительно возросли яркость, контраст и четкость изображения. В них условиях сильнее стали проявляться недостатки чересстрочной развертки — мелькания изображения с частотой полей и межстрочные мелькания. Мелькание с частотой полей стало особенно заметно па новых кинескопах с повышенной яркостью, предназначенных для работы в условиях большой внешней засветки. Это явление усугубляется тем, что зрители часто наблюдают изображения на малом расстоянии от экрана, т.е. под большим углом зрения, когда в процесс наблюдения вовлекаются периферийные участки сетчатки, обладающие меньшей инерционностью к световому возбуждению.
Мелькания отдельных строк поля хорошо заметны на горизонтальных границах и наклонных структурах изображения, особенно при наблюдении буквенно-графической информации с близкого расстояния. Эти искажения приводят к уменьшению реальной четкости изображения по вертикали. Так, установлено, что 625-строчное изображение с построчной разверткой эквивалентно примерно 900-строчному изображению с чересстрочной разверткой.
Глава 4
ИСКАЖЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
4.1. Нормирование основных параметров систем и искажений телевизионного изображения
Задачей ТВ систем является воспроизведение изображений, тождественных наблюдаемым объектам в пространстве. Эта задача может быть решена с помощью стереоцветной телевизионной системы со значительно более высокими качественными показателями, чем у современных систем, за счет использования новых методов и средств формирования, передачи и воспроизведения видеоинформации. В настоящее время тождественность передаваемого и воспроизводимого изображений в первую очередь ограничивает основные параметры системы вещательного телевидения: формат кадра, число строк, число кадров, передаваемых в одну секунду, число мельканий. число полутонов и их распределение в динамическом диапазоне
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
63
изменения яркости репродукции, цветовой охват и др. Кроме этих ограничений, соответствие ТВ изображения оригиналу нарушается и из-за искажений изображения, возникающих практически во всех элементах ТВ системы.
В настоящее время объективная и субъективная оценки параметров звеньев ТВ системы и искажений изображения, а также условия его наблюдения и обработка результатов измерений регламентированы документами МККР, ГОСТ 7845-92, ГОСТ 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 — визуалыю, по изображению универсальных оптических или электронных телевизионных испытательных таблиц (УЭИТ).
Рассмотрим основные виды искажений ТВ изображения и методику их оценки.
4.2. Геометрические (координатные) искажения
Геометрические искажения ТВ изображения возникают из-за изменения координат передаваемых объектов. Эти искажения проявляются в виде нарушения геометрического подобия воспроизводимого ТВ изображения его оригиналу. Геометрическое подобие нарушается в основном из-за неидентичности формы растра и относительных скоростей строчной или (и) кадровой развертки при анализе и синтезе изображения в фотоэлектрических преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет.
Номинальный формат растра к — b/h = и относительные скорости разверток 14)СТр(0 — const жестко заданы. Поэтому оценка геометрических искажений производится по отклонению от номинальных значений указанных параметров с помощью коэффициентов геометрических искажений.
На рис. 4.1 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. 4.1,а;6):
&гдв —	’ ЮО % или /сгдг =	• 100 %;	(4.1)
С> I
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 4.1. Геометрические искажения изображения, возникающие из-за искажений формы растра
•	при трапецеидальных искажениях, возникающих из-за нарушения ортогональности оптической или электрической оси к плоскости изображения (рис. 4.1,в):
к„ =	 100%;	(4.2)
И + *2
•	при искажениях типа «параллелограмм», возникающих из-за нарушения ортогональности отклоняющих полей строчной или кадровой развертки (рис. 4.1,а):
fcrn = г'Е1"'?2 • 100%;	(4.3)
1/1 + 1/2
•	при несоответствии формата кадра на передаче и приеме (b/h) ф Ф (b/hn) Ф (6П/^) из-за нарушения соотношения размеров растра по вертикали или по горизонтали, т.е. значений отклоняющих полей кадровой или строчной развертки (рис. 4.1, Ле). Оценка величин искажений в большинстве случаев нецелесообразна, так как искажения этого вида легко корректируются с помощью оперативных регулировок размеров изображения по вертикали и горизонтали;
•	при воздействии на отклоняющие поля низкочастотных периодических помех (рис. 4.1,эю).
Геометрические искажения возникают также из-за неидентично-сти относительных скоростей движения лучей передающей и приемной трубок по вертикали или (и) горизонтали. Практически это чаще всего происходит при нарушении на одной из сторон условия ностояпства скоростей движения луча по вертикали или (и) горизонтали лК)Стр(0 = var, т.е. из-за нелинейности токов кадровой пли (и) строчной развертки. В этом случае геометрические искаже-
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
65
Рис. 4.2. Геометрические искажения изображения, возникающие из-за нелинейности сигналов кадровой (а) и строчной (6) разверток приемника (при линейных развертках на ТЦ)
ния в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно (рис. 4.2,а,б) оцениваются следующим образом:
кгв = 2^max ~ ^min • 100 %; кгг = 2^тах ~ ^min • 100 %,	(4.4)
^тах 4- flmin	бтах + t>min
где /гтах, hmin (5тах, 5min) — экстремальные значения высоты (ширины) элементов телевизионной испытательной таблицы типа «шахматное поле» на экране кинескопа.
Нелинейность развертки до 5 % в любом направлении практически незаметна, а при нелинейности (8...12) % изображение воспринимается еще как хорошее.
Измерение величин геометрических искажений изображений производится по квадратным или прямоугольным испытательным элементам, входящим в состав специализированных (например, «шахматное поле», см. рис. 4.8) или универсальных испытательных таблиц. Визуальную оценку искажений и их коррекцию удобнее проводить по испытательным элементам в виде окружностей, так как искажения 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.
4.3.	Полутоновые (градационные) искажения
Полутоновые искажения ТВ изображения возникают, как было отмечено в разд. 2.2, из-за уменьшения динамического диапазона изменения яркости оригинала— максимального контраста Ктлх (2.6),
(>(i
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
изменения условий наблюдения изображения (паразитных засветок, размеров изображения и его деталей и т.д.) и, как следствие, из-за увеличения порогового контраста (AL/£ф)пор.
В результате число полутонов (число пороговых градаций яркости,) Аиз в ТВ изображении уменьшается по сравнению с числом полутонов Ао при непосредственном наблюдении оригинала. В связи с этим ухудшается распознавание объектов.
Для улучшения распознаваемости деталей при Аиз = const (Л'из = const, Тиз max = const) приходится перераспределять это 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 (см. гл. 15). Она сводится к тому, что форма характеристики передачи уровней яркости ТВ системы изменяется гамма-корректором так, чтобы она соответствовала параболической функции с показателем степени ус = 1,2...1,3 (см. рис. 2.7).
Форма характеристики передачи уровней яркости системы 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 1/вых =	— линейна. Поэтому нели-
нейные искажения сигнала яркости в тракте передачи, как правило, сравнительно мало влияют на число воспроизводимых градаций.
Основное влияние на полутоновые искажения оказывают параметры световых характеристик преобразователей. Помимо того, что форма этих характеристик для различных 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 индивидуальный гамма-корректор, форма АХ которого выбирается с учетом номинальной усредненной формы световой (модуляционной) характеристики кинескопов.
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 в соответствии с (2.5) 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,
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
67
Рис. 4.3. Испытательные сигналы для формирования шкалы перепадов яркости на экране ТВ приемника uci (а) и для измерения нелинейных искажений ТВ сигналов иС2 (5); ttj.2max — синусоидальная насадка, выделенная полосовым фильтром из сигнала иС2 на выходе тракта или его участка (в)
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 (см. рис. 4.9). В оптических телевизионных испытательных таблицах (ТИТ) используют шкалы с логарифмическим, квадратичным или линейным распределением яркости вдоль шкалы. В электронных ТИТ эта шкала создается с помощью 10-ступенчатого сигнала с равномерными перепадами напряжения («ступеньками») (рис. 4..3,а).
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 порядка 10 % от размаха сигнала яркости (рис. 4.3,6). На выходе тракта или его участка синусоидальная насадка выделяется полосовым фильтром (рис. 4.3,в). Коэффициент нелинейных искажений определяется по формуле
Агн = mmax - mmin 1OQ %,	(4 5)
^max
где ттгтах, 7nmin — 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 коэффициентов нелинейных искажений для областей белого и черного:
fcH6 = TOc? ~m6 • 100 %; кнч = --ср • 100 %,	(4.6)
771 ср	Шер
где ?71б, тч — экстремальные значения размаха синусоидального сигнала в областях белого и черного соответственно: 771ср — размах сигнала в середине пакета синусоидальных колебаний (рис. 4.3,в).
68
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Изменение числа воспроизводимых градаций по полю изображения может вызвать также неравномерность яркости фона, возникающую из-за специфических искажений в передающих трубках («черное пятно», см. гл. 6) и нечеткой фиксации уровня черного ТВ сигнала (см. гл. 15).
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 различении 8-9 градаций яркости шкалы качество ТВ изображения считается хорошим.
4.4.	Искажения яркости мелких деталей и вертикальных границ крупных деталей (искажения четкости и резкости)
Четкость изображения оценивается относительным размером минимальной детали, воспроизводимой ТВ системой, а резкость — относительным размером границы между фоном и деталью с равномерной яркостью; причем длительность сигнала от этой детали должна превышать длительность переходных процессов в системе (см. гл. 2). Размеры деталей и границ измеряются в относительных единицах — по отношению к высоте изображения /г, а четкость определяется в условных единицах — телевизионных линиях (ТВЛ). Например, если визуально на репродукции различаются детали размером не менее (1/500)Л, то четкость изображения составит 500 ТВ линий. Параметры четкости и резкости 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 раздельно по вертикали и горизонтали из-за того, что их значения ограничиваются 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 — Ъ/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 в этом направлении.
Четкость ТВ изображения принципиально не может превышать ее номинальное значение из-за ограничений, накладываемых норми
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
69
рованными параметрами системы — числом строк z — 625 и шириной спектра А/ ~ 6 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:
•	четкость в обоих направлениях — качеством фокусировки, аберрациями в оптических системах, внутренними и внешними засветками, а также формой апертурных (частотно-контрастных) характеристик электронно-оптических систем фотоэлектрических преобразователей (см. гл. 6 и 7);
•	четкость по вертикали — качеством чересстрочной развертки;
•	четкость по горизонтали — 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/(и) — амплитудно-частотной (АЧХ) и </?(си) — фазо-частотной (ФЧХ), а также с помощью /г(£) — переходной характеристики (ПХ) 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 анализа влияния величин и характера линейных искажений на проявление их в изображении. Достоинство ПХ — четкая качественная связь искажений изображения с искажениями формы ТВ сигнала. Поэтому эти методы удачно дополняют друг друга, что и определяет целесообразность их сопоставления.
На рис. 4.4 приведены типичные случаи искажений АЧХ в 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 yBi на верхней граничной частоте /в (или сив) полосы пропускания и длительностью фронта ПХ Тф1, отсчитываемой от уровня 0,1 до уровня 0,9 ее установившегося значения.
Спад АЧХ уВ2 < Ув1 и соответствующее увеличение длительности фронта ПХ Тф2 > Тф1 приводит к уменьшению уровня высокочастотных составляющих сигнала, т.е. к уменьшению размахов сигнала от мелких деталей и увеличению длительности перепадов. Как следствие, четкость и резкость изображения в горизонтальном направлении уменьшаются, так как контраст самых мелких деталей становится ниже порогового, а протяженность границ деталей увеличивается.
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 4.4. Искажения АЧХ в области высоких частот полосы пропускания тракта передачи ТВ сигнала (а) и его ПХ в области малых времен (6)
Перекоррекция, т.е. подъем АЧХ ?/вз > ?/Bi и соответствующее уменьшение длительности фронта ПХ Тфз < Тф1, приводят к некоторому повышению четкости. При этом на горизонтальной части ПХ может возникнуть затухающий колебательный процесс. В соответствии с искажениями формы ПХ искажаются и детали изображения: после резкого изменения яркости по строке на репродукции могут возникнуть повторы контуров деталей с постепенно убывающей интенсивностью (ложные контуры). Если же колебательный процесс апериодичен, т.е. имеется только один первый выброс <5, то границы детали как бы подчеркиваются. Эти искажения называются «пластикой». 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 /в > 6 МГц (при соответствующем увеличении полосы пропускания канала связи), что практически реализуется только в специальных системах ТВЧ при z = 1000...3000 и /в = nz2/2 = 15...150 МГц (для аналогового сигнала).
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, т.е. фигуры, состоящей из нескольких вертикальных черных клиньев (и подобными же белыми промежутками между ними, см. рис. 4.9). 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 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
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
71
вертикальных границ оценивается по осциллограмме длительности фронта сигнала от черно-белых прямоугольных элементов ТИТ.
Оценка четкости в вертикальном направлении с помощью горизонтальных штриховых мир затруднена муаром, возникающим из-за биений достаточно близких пространственных частот, которые образуются дискретными структурами ТВ растра и штрихов миры. Поэтому с помощью ТИТ ориентировочно оценивается только качество чересстрочной развертки по искажениям наклонных линий (см. рис. 4.9). При слипании (сближении) строк четного и нечетного полей растра эти линии воспроизводятся в виде ступенчатых кривых.
4.5.	Искажения яркости средних и крупных деталей
Искажения яркости средних и крупных деталей ТВ изображения, так же как и мелких, возникают в большинстве случаев из-за линейных искажений в тракте передачи сигнала. Но в данном случае изменение яркости деталей является следствием искажений АЧХ в области низких частот полосы пропускания, т.е. ПХ в области 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 Ь& (рис. 4.5,6), а по вертикали — ис 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 т/Н2, рис. 4.5,а, кривая 2) возникают в основном из-за переходных цепочек 77ПСП между каскадами. Эти дифференцирующие цепочки представляют собой частотно-зависимые делители сигнала, проявляющие
Рис. 4.5. Искажение АЧХ в области низких частот полосы пропускания тракта (а) и искажение формы сигнала от «средней» белой детали на сером фоне Ьф (6)
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
« вон свойства на низких частотах полосы пропускания. В результате даже сравнительно слабого дифференцирования импульса (от детали средних размеров) на вершине его появляется спад, а за ней — тянущееся продолжение с постепенно убывающей интенсивностью. Так как при этом размахи переднего и заднего фронтов импульса (перепады яркости) передаются без искажений, то уменьшение напряжения сигнала непосредственно за импульсом (уменьшение яркости фона за деталью AL"n) численно равно величине спада вершины импульса (уменьшению яркости детали Д14п = ЬД —	при
линейном преобразовании свет-сигнал, рис. 4.5,6", кривая 2).
Визуально особенно заметны тянущиеся продолжения при передаче белой детали с наибольшей яркостью Ад на сером фоне Аф (размером примерно Ьа/2); даже если яркость детали ЬД в результате искажений уменьшится только на несколько процентов (относительно Z/д), это может привести к значительному уменьшению яркости фона £ф за деталью — на десятки процентов изменения яркости £ф, так как Ьф «С ЬД, а ДАф = А£"п- Например, при практически незаметном изменении яркости детали на
Ад =	= Ьф ~Ьл -100=2 %	(4.7)
и контрасте между деталью и фоном КД = Ьд/Ьф = 20 яркость фона после детали уменьшится (при линейном преобразовании сигнал-свет уПр = 1, см. гл. 15) на
Дф =	~ £"п = Д* = /<дДд = 20 • 2 = 40 %.	(4.8)
Ьф •	Ьф
При нелинейном преобразовании сигнал-свет, например, в кинескопе с 7пР > 1, изменение яркости фона будет несколько меньшей интенсивности, так как в этом случае ДЬ"П < Д£сП. Но во всех случаях подобные искажения изображения четко отмечаются глазом как медленно уменьшающееся черное тянущееся продолжение вдоль строки за белой деталью «за белым — черное» (или за черной деталью белое продолжение: «за черным — белое»).
При перекоррекции АЧХ т/нз (рис. 4.5, кривая 3) за деталями могут возникнуть тянущиеся продолжения того же «знака» («за белым
- белое», «за черным— черное»). Однако эти искажения менее заметны на изображении из-за сравнительно меньшего относительного изменения яркости фона за деталями.
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 полови
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
73
не кадра (см. рис. 15.5). При этом тянущиеся продолжения могут весьма заметно исказить яркость серой части кадра на значительной его площади. Однако эти искажения, как правило, частично корректируются с помощью фиксации уровня черного ТВ сигнала во время следования строчных гасящих импульсов (см. гл. 15). В результате фиксации уровня черного значение остаточных искажений яркости деталей и фона получается такого же порядка, как и у деталей средних размеров. Заметим, что с помощью фиксации уровня черного изменение 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, особенно за движущимися деталями. Они воспринимаются в основном как тянущиеся продолжения за деталями, т.е. как появление заведомо ложных фрагментов, не содержащихся в подавляющем большинстве передаваемых изображений и не возникающих ни в фото-, ни в кинорепродукциях.
Оценка величины тянущихся продолжений производится по специальным испытательным сигналам, например, по симметричным П-образным импульсам с частотой следования, равной частоте строчной развертки 15625 Гц (средние детали) и с частотой следования, равной частоте кадровой развертки 50 Гц (крупные детали). Последние прорезаны строчными гасящими импульсами (см. рис. 15.5). 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 (см. рис. 4.9).
4.6.	Цветовые искажения
Цветовые ощущения так же дискретны, как и восприятие яркости, и оцениваются числом порогов цветоразличимости (см. гл. 2, 10). 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, светоделительных 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;
71
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
•	разброса параметров, старения, неоптимальных режимов работы элементов системы и в первую очередь — цветных кинескопов;
•	рассовмещения и неидентичности растров цветоделенных изображений, перекрестных искажении 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.
С помощью специальных устройств — цветокорректоров, корректоров нелинейных искажений ТВ сигналов (гамма-корректоров, см. гл. 15) и др., на телецентрах производится компенсация цветовых искажений при условии использования в приемнике цветного кинескопа со среднестатистическими нормированными характеристиками (см. гл. 7).
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, голубой, пурпурный, красный, синий и черный (см. рис. 4.9). Подобные две цветовые шкалы с разной насыщенностью использованы для визуальной оценки верности цветопередачи в УЭИТ. Более подробно особенности возникновения и коррекции цветовых искажений в различных системах ЦТ рассмотрены в гл. 10 и в [13].
4.7.	Флуктуационные помехи
Помехи, возникающие в процессе формирования, передачи и приема ТВ сигналов, могут значительно ухудшить качество изображения. Влияние различных помех проявляется в основном двояко: помехи на сигналы изображения вызывают нарушение яркости и цветности деталей изображения, а помехи на сигналы синхронизации разверток приводят к нарушению формы растра, т.е. к искажению координат элементов изображения (вплоть до полного разрушения ого структуры).
Конкретные формы проявления мешающего действия помехи зависят от ее вида и интенсивности. К числу наиболее характерных помех относят:
•	флуктуационные помехи;
•	с(‘'Г(‘вые фоновые помехи с частотой сети и ее гармоник до 1 кГц;
•	гармонические регулярные помехи в виде полос, сетки, муара, посторопних узоров и т.д.;
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
75
•	импульсные помехи различного происхождения в виде точек и штрихов различной протяженности:
•	перекрестные помехи между сигналами яркости и цветности, а также от сигналов других ТВ каналов и звукового сопровождения:
•	эхосигналы из-за приема прямого и отраженных радиотелевизионных сигналов и рассогласования линии связи;
•	шумы квантования, ошибки в приеме символов и другие, возникающие при использовании ТВ сигнала в цифровой форме для передачи и коррекции сигналов, для сокращения избыточности видеоинформации, а также для формирования видеоэффектов и преобразования стандартов различных ТВ систем.
Визуально особенно заметны помехи, быстро меняющие свою 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 всегда присущи всем электронным устройствам. Причиной возникновения флуктуационных помех является хаотическое движение электронов в активных сопротивлениях — тепловой шум, а также флуктуации светового потока и тока в фотоэлектрических преобразователях, усилительных элементах и т.п. Засорение ТВ сигнала шумами обычно происходит в тех узлах тракта, где размах сигнала изображения небольшой и сравним с уровнем флуктуационных помех (в передающих трубках, во входных цепях предварительных усилителей передающих камер, в линиях связи большой протяженности, во входных цепях ТВ приемников и др.), а также, как правило, при коррекции любых искажений ТВ сигнала (см. гл. 15).
Флуктуационные помехи воспроизводятся на ТВ изображении в виде мерцающих хаотически движущихся мелких точек и штрихов. Наиболее отчетливо эти помехи проявляются на серых участках 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 — уменьшаются четкость, резкость, 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 активном сопротивлении R не зависит от частоты («белый шум»)
5„,б = (lu'l/df = 4kTR,	(4.9)
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 4.6. Весовые функции видности флуктуационных помех:
1 — для сигнала яркости и сигналов основных цветов; 2 — для композитных сигналов различных систем ЦТ; 3 — для композитного сигнала системы SECAM
Рис. 4.7. Весовая функция видности флуктуационных помех сигнала цветности системы SECAM
где и'щ — действующее значение напряжения помех; к = 1,38 • 10“23 Дж/К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура, К.
Действующее значение напряжения флуктуационных помех в ограниченной полосе частот
__.	/ г Л	/ Г/в	______
иш = \ ЗД) df^\ sm6 df = V^TRfB, (4.10) V ‘'/н	V ''О
где /в — граничные частоты полосы пропускания устройства (как правило, принимают /н = 0, так как /в /н)-
Спектральная плотность мощности дробовых флуктуаций тока также не зависит от частоты («белый шум»). Эти помехи принято оценивать как равные тепловым по (4.10) в соответствующем эквивалентном сопротивлении шумов Rm.
Однако подобная энергетическая оценка величины помех не учитывает визуальное восприятие различных спектральных составляющих шумов из-за того, что чувствительность глаза зависит от размеров и цветности деталей. Например, низкочастотные составляющие «зеленой» флуктуационной помехи оказывают большее мешающее действие, чем высокочастотные, окрашенные в красные (или синие) тона. Это свойство восприятия шумов учитывают с помощью экспериментально определенных весовых функций помех [13]:
•	для сигналов яркости и сигналов основных цветов (рис. 4.6, кривая 1) эта функция аппроксимируется как
2/b3b(w) = 1 + w2r23B = 1 + 4,29/2’	(4'П)
где гвзв — 0,33 мкс — постоянная времени взвешивающей цепи; f частота, МГц;
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
77
•	для композитных сигналов (сигналов яркости, в высокочастотной области которых размещены сигналы цветности) различных систем ЦТ (рис. 4.6, кривая 2)
l + fr2u>2r23B _ 1 + 0,117/2 З/вэв^; ! + (1 + b)2w2r23B	! + 3) 54/2
(4-12)
где твзв = 0,245 мкс; b = 1/4,5; f — частота, МГц;
•	для композитного сигнала системы SECAM (рис. 4.6, кривая 3) со вторым максимумом в области спектра сигнала цветности;
•	для сигнала цветности системы SEC AM (рис. 4.7).
Величину зашумленности ТВ сигнала принято оценивать величиной отношения сигнал/помеха или сигнал/взвешенная помеха:
=	^ = ис/йш,	(4.13)
где Uc — размах сигнала изображения;
и'ш = J С 5Ш(/)df- иш = J Л S,u(/)1/B3„(/) df V Jo	У Jo
— действующее (эффективное) значение напряжения помехи и ее взвешенное значение соответственно.
Особую роль для сопоставления и определения результирующего мешающего действия помех имеет отношение сигнал/взвешенная 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., см. гл. 15).
Различное восприятие «красных», «зеленых» и «синих» флуктуационных помех оценивается с помощью экспериментально установленных коэффициентов относительной видности, соответственно равных: а = 0,40; 13 = 1,0; е = 0,35. При этом напряжения визуально одинаковых помех соотносятся как
ишкр/ишз/ишс = 2,50/1,00/2,86.	(4.14)
Измерение отношения сигнал/помеха производится с помощью достаточно сложных специальных приборов. Качество изображения считается хорошим, если » 30...40 дБ.
4.8.	Оценка искажений изображения по испытательным таблицам
Оперативная оценка искажений изображения по телевизионным испытательным таблицам (ТИТ) широко практикуется в ТВ системах. С помощью специализированных ТИТ оценивается обычно
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 4.8. Оптическая ТИТ для измерения геометрических (координатных) искажений
один-два качественных параметра (рис. 4.8), а с помощью универсальных — все основные (рис. 4.9). Преимущество универсальных ТИТ очевидно. Однако при их использовании либо уменьшается точность оценки качественных параметров за счет огрубления шкал, либо измерения проводятся лишь в отдельных локальных местах кадра из-за ограниченных возможностей размещения в поле таблицы большого числа различных испытательных элементов.
Указанные ТИТ могут быть оптическими (рис. 4.8) или электронными (рис. 4.9). Преимуществом оптических таблиц является возможность оценки результирующего качества изображения при проверке всего тракта системы «от света до света», а также оценки величины искажений как в передающем, так и в приемном оборудовании. К сожалению, оптическую таблицу для ЦТ, к тому же еще в многочисленных идентичных экземплярах, создать весьма сложно из-за сравнительно быстрого старения цветных испытательных элементов и, как следствие, из-за изменения их спектральных характеристик. Поэтому в ЦТ для оценки искажений, возникающих в ви-деоусилительном тракте телецентра, линиях связи и в приемниках, используются лишь электронные ТИТ. Универсальная электронная испытательная таблица (УЭИТ) составляется из эталонных электрических сигналов, формируемых специальным генератором. Искажении в фотоэлектрических преобразователях свет-сигпал оцениваются ио монохромным ТИТ и специальными методами.
Универсальная электронная таблица предназначена для объек-iiibiioi'o и субъективного контроля основных параметров и искажении изображения в трактах передачи черно-белых и цветных ТВ си-
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
79
II
Ш
5
6
абвгдежзи клмнопрстуфхцчшщэ
1
2
3
Белый Желтый
перепадов яркости |
ШШИ Белый'
Радуга
О
О>
Серый
Белый
Серый Черный
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
13

II14
15
16
17
18
19
20
Голубой
Шкала
□б.
Синий
Зеленый ПурпУр" Красный ныи
Рис. 4.9. Эскиз универсальной электронной испытательной таблицы УЭИТ
□Р'	'^g
г7
so
8 9 10
11
12
13
14
15
I16 5 17 ш
18
19
20
Белый Желтый
.................. - - III
11 и 11111111 ггн in । image
Голубой Зеленый
Пурпур- Краснь1й ный
Синий Черный
□г




стем. Состав испытательных элементов таблицы, как правило, многофункционален. В то же время оценка тех или иных искажений производится как по различным испытательным элементам, так и по одинаковым, но расположенным в разных местах рабочего поля для дифференциальной оценки этих нарушений [102].
Рамка таблицы УЭИТ (рис. 4.9) состоит из черно-бело-черных штрихов, расположенных по ее периметру и образованных сигналами с уровнями (0/100/0) % от максимального размаха сигнала. Белые штрихи между черными полосами служат реперными линиями рабочего поля таблицы с форматом 4/3.
Основу таблицы составляет сетчатое поле, образованное 18 (2... 19) горизонтальными и 24 (б...щ) вертикальными серыми полосами и белыми линиями между ними. Вертикальные линии создаются синус-квадратичными импульсами длительностью 0,16...0,17 мкс; толщина горизонтальных линий — две строки; размах сигнала линий и серых полос составляет (75/37,5) %. С помощью указанных элементов проверяются горизонтальный и вертикальный размеры изображения, их соотношение (формат кадра), центровка рабочего поля таблицы, величина геометрических искажений, качество сведения лучей цветного кинескопа и др.
При формате 4/3 реперные белые линии должны совмещаться с обрамлением экрана трубки. При формате 5/4 (используемом
so
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
п большинстве кинескопов по конструктивным соображениям) с горизонтальным обрамлением экрана должны совмещаться наружные черные края рамки, а с вертикальным — внутренние черные края. При нарушении формата квадраты сетчатого поля воспроизводятся как прямоугольники, а окружности напоминают эллипсы (при сравнительно небольших искажениях линейности строчной и кадровой разверток). Центровка изображения должна быть такой, чтобы центральное перекрестие сетчатого поля совпадало с центром экрана.
Геометрические (координатные) искажения оцениваются инструментально по квадратам сетчатого поля (см. § 4.2), а визуально — по окружностям в центре и в углах таблицы.
Сведение лучей цветного кинескопа проверяется по центральному перекрестию осевых сетчатого поля и осевым линиям на краях растра, а также по перекрестиям белых линий в окружностях по углам таблицы (см. гл. 7).
Определение других параметров, как правило, требует предварительной настройки яркостного режима работы приемника — выбора оптимальных значений яркости и максимального контраста изображения (максимального размаха ТВ сигнала), при которых воспроизводится максимально различимое число градаций яркости (для данного кинескопа). Эта операция производится по шкапе перепадов яркости 8б-8ц (см. § 4.3), причем черный и белый испытательные элементы шкалы 86 и 8ц являются опорными уровнями экстремальных значений яркости, определяющими максимальный контраст изображения.
Минимизация, полутоновых (градационных) искажений, возникающих в процессе преобразования сигнал-свет, может быть выполнена следующим образом. Вначале регулятор «Контрастность» устанавливается на минимально возможное значение, а затем с помощью регулятора «Яркость» выбирается величина яркости изображения так, чтобы испытательный элемент шкалы 8в (уровень сигнала на 3 % «чернее» уровня черного) визуально отличался по яркости от одинаковых черных элементов 86 и 8г (0 %). После этого яркость уменьшается до потери различимости этих трех испытательных элементов, а контраст устанавливается в положение, при котором воспроизводится наибольшее число (как правило, 8-9) визуально различимых градаций шкалы.
После выполнения этой операции можно приступить к оценке значений других качественных параметров.
Четкость по горизонтали (воспроизведение мелких черно-белых деталей) оценивается по штриховой мире групповой четкости 136 13ш, и подобным же испытательным элементам мир внутри окружностей в углах таблицы (см. § 4.4). 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, •100 и 500 ТВ линий (условно обозначенных цифрами 2, 3, 4 и 5), а
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
81
в углах — колебаниями 3,8 и 4,8 МГц (соответственно 300 и 400 ТВ линий). Отсчет четкости производится по визуальному различению наименьших черно-белых штрихов.
Резкость воспроизведения вертикальных границ деталей изображения характеризуется интервалом времени нарастания от 10%- до 90%-ного уровня сигнала изображения. Он измеряется с помощью осциллографа с выделением строки по сигналу от черно-белых квадратов 1 би-16т.
Четкость изображения по вертикали косвенно оценивается по качеству чересстрочной развертки по воспроизведению наклонных белых линий в испытательных элементах 10с-10х и 11е-11к. При нарушении чересстрочной развертки линии воспроизводятся с изломами.
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.
Качество воспроизведения «средних» деталей, т.е. наличие за ними тянущихся продолжений (см. § 4.5), оценивается по бело-серочерным 10е-10х и черпо-серо-белым 11е-11х испытательным элементам, а также по черно-белым квадратам 16и-16с и деталям с плавно изменяющимися горизонтальными размерами 16в-16е и 16х-16ш.
Баланс белого определяется соотношением токов трех лучей цветного кинескопа и проверяется по шкале перепадов яркости (градационной мире) 86...8щ, все элементы которой должны воспроизводиться как черно-белые, т.е. не должны окрашиваться.
Однородность цвета по рабочему полю изображения контролируется по крупным белым, серьпм и черным участкам большой протяженности. При неоднородности яркости и цветности на этих участках наблюдаются обширные цветные пятна с малой насыщенностью.
Верность воспроизведения цветов проверяется визуально по двум цветовым шкалам: шкале 6-76.,.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...Ц-15щ с повышенной насыщенностью, формируемой сигналами с уровнями 75/0/75/0. Чередование цветов испытательных элементов шкалы: белый, желтый, голубой, зеленый, пурпурный, красный, синий, серый (черный). Последовательность и цветовой тон элементов обеих шкал должны соответствовать указанным цветам.
Искажения изображения типа «эхо» — многоконтурность. окантовки и т.п. — возникают из-за перекоррекции АЧХ в области
S2
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
высоких частот (см. § 4.4), а также приема прямого и отраженного радиотелевизионных сигналов, рассогласования линий связи, несовпадения во времени сигналов яркости и цветности. Они оцениваются но воспроизведению одиночных черных и белых штрихов (например, Юс и Не), вертикальных линий сетчатого поля и др.
Наряду с УЭИТ часто используется испытательное изображение в виде восьми широких вертикальных цветных полос, аналогичных испытательным элементам цветовых шкал УЭИТ. Подобный (‘игнал 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 [13]. Важность подобного критерия обусловлена тем, что только на его основе возможно научно обоснованное нормирование параметров ТВ системы в целом и отдельных ее звеньев с учетом «обмена» величин частных параметров качества (например, увеличение четкости за счет уменьшения отношения сигнал/помеха и т.д.). Применение интегрального критерия позволит широко использовать адаптивную автоматическую коррекцию искажений в отдельных звеньях тракта, и особенно в ТВ приемниках [13, 69].
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 ЭВМ, формализация связей между частными параметрами и разработка алгоритма для определения интегрального критерия помогут решить задачу повышения качества ТВ изображения.
Глава 5
ОСНОВЫ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
5.1.	Общие принципы
Аналоговый телевизионный сигнал в соответствии с его природой повторяет распределение яркости и цветности на пути, по которому производится развертка изображения, т.е. он действительно является электрическим аналогом изображения. Поэтому системы
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
83
телевидения, в которых используется для передачи, консервации или каких-либо других задач обработки аналоговый сигнал, называются системами аналогового телевидения. На протяжении нескольких десятилетий телевидение было аналоговым, и только в конце 70-х годов разработчикам телевизионных систем пришлось столкнуться с ограничениями аналоговых методов, серьезно сужающими возможности дальнейшего развития телевидения.
Одной из главных причин этих ограничений следует считать слабую помехозащищенность аналогового сигнала, который подвергается в каждом из устройств телевизионного тракта воздействию шумов и других помех. Современная же вещательная ТВ система представляет собой весьма длинную цепь устройств преобразования и передачи сигналов, число звеньев которой с развитием телевидения сильно увеличивается.
В любом звене этой сложной цепи возникает неизбежная потеря качества изображения. Связано это с тем, что в каждом устройстве, при любом из преобразований, которому подвергается сигнал, на него воздействуют помехи. При аналоговых методах усиления и обработки ТВ сигнала эти помехи накапливаются от звена к звену, и естественно, тем сильнее, чем больше в ТВ системе процессов обработки, переприема или перезаписей сигнала. Пока этих преобразований немного, суммарные искажения еще могут быть незаметны. Но с развитием телевидения число преобразований очень быстро возрастает. Увеличиваются расстояния между передающими и приемными пунктами, растет номенклатура и число различных видеоэффектов, разнообразящих передачу, но требующих дополнительных преобразований, усложняется технология монтажа ТВ программ. В таких системах проблема обеспечения необходимой помехоустойчивости становится главенствующей. Существенно уменьшить искажения от помех при формировании телевизионной программы, ее консервации или передаче позволяют цифровые методы, уже известные в технике связи. Поэтому в последние годы основное внимание уделяется развитию цифрового телевидения.
Цифровое телевидение — область телевизионной техники, в которой операции обработки, консервации и передачи телевизионного сигнала связаны с его преобразованием в цифровую форму.
Цифровые методы помимо обеспечения высокого качества изображения при воздействии значительных помех обладают и другими достоинствами. Так, при одинаковой пропускной способности канала они позволяют передавать большее число программ по сравнению с аналоговым телевидением; благодаря уменьшению необходимых настроечных операций на этапе производства они более технологичны; выше эксплутационная надежность цифровой аппаратуры. Намного легче в сравнении с аналоговой техникой достигается универсальность работы цифровой аппаратуры в различных мировых стандартах телевидения. Лучшая помехозащищенность цифрового сигнала
84
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
позволяет снизить требования к его мощности в процессе доставки к приемным устройствам. Повторные изображения, характерные для аналогового телевидения при многолучевом приеме, цифровыми методами могут быть практически полностью исключены.
Наконец, цифровые методы позволят включить телевидение в единую мировую информационную систему через телевизионные интерактивные каналы, а также реализовать возможность приема телевизионных программ через подключение к сети Интернет.
Можно представить системы цифрового телевидения двух типов [14]. В системе первого типа, полностью цифровой, преобразование передаваемого изобргхжения в цифровой сигнал и обратное преобразование цифрового сигнала в изображение на приемном экране осуществляются непосредственно в преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет. Во всех звеньях тракта передачи изображения информация передается в цифровой форме. В перспективе создание таких преобразователей вполне реально. Однако в настоящее время их еще не существует, а поэтому целесообразно рассматривать цифровые ТВ системы второго типа, в которых с датчиков получается аналоговый ТВ сигнал, затем он преобразуется в цифровую форму, подвергается всей необходимой обработке, передаче или консервации, а затем снова приобретает аналоговую форму. При этом используются существующие датчики аналоговых ТВ сигналов и преобразователи сигиал-свет в телевизионных приемниках. В этих системах на вход тракта цифрового телевидения поступает аналоговый ТВ сигнал, затем он кодируется, т.е. преобразуется в цифровую форму.
5.1.1.	Импульсно-кодовая модуляция
Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму представляет собой комплекс операций, наиболее существенными из которых являются дискретизация, квантование и непосредственно кодирование.
Дискретизация — замена непрерывного аналогового ТВ сигнала u(t) последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала. Наиболее распространена равномерная дискретизация, имеющая постоянный период, основанная на теореме Котельникова-Найквиста. Согласно этой теореме любой непрерывный сигнал и(Д), имеющий ограниченный спектр частот (рис. 5.1,а), может быть представлен значениями этого сигнала u(tn), взятыми в дискретные моменты времени (отсчеты) tn = пТ (рис. 5.1,6), где п = 1,2,3,... — целые числа; Т — период или интервал дискретизации, выбранный из условия теоремы Котельникова-Найквиста: Т 0,5//гр. Здесь frp — максимальная частота спектра исходного сигнала u(t). Величина, обратная периоду дискретизации, называется частотой дискретизации. Минимально допустимая частота дискретизации /д = 2/гр.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
85
(n-3)T (п —2)Т (п-1)Т пТ	(п + 1)Т (п + 2)Т (п+3)Т (п + 4)Т	*
Рис. 5.1. Преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую
Аналитическое выражение теоремы Котельникова-Найквиста имеет вид
/ mxSm27T/rp(£ - пТ)	,r
п= —оо	/
Предполагается, что отсчеты и(пТ) являются 5-импульсами (бесконечно короткими). Для восстановления исходного аналогового сигнала u(t) из последовательности отсчетов и(пТ) последние необходимо в соответствии с (5.1) пропустить через идеальный фильтр нижних частот (ФНЧ) со срезом на частоте /гр.
Множитель [sin 2тгУгр(£ — nT)]/[2nfrp(t — пТ)] представляет собой реакцию такого фильтра на единичный импульс и(пТ). Из теоремы следует, что для точного восстановления исходного сигнала не
86
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
обходимо наличие бесконечно большого числа отсчетов. На практике же сигнал, всегда имеющий конечную длительность, описывается конечным числом отсчетов. Несмотря на несоответствие условиям теоремы, такой способ восстановления сигнала широко используется в цифровом телевидении, и точность восстановления при соблюдении определенных требований оказывается достаточной.
За процессом дискретизации при преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму следует процесс квантования. Квантование (этот термин заимствован из атомной физики) заключается в замене полученных после дискретизации мгновенных значений отсчетов ближайшими значениями из набора отдельных фиксированных уровней (рис. 5.1,в). Квантование также представляет собой дискретизацию ТВ сигнала, но осуществляемую не во времени, а по уровню сигнала u(t). Для устранения путаницы между этими понятиями и введена разная терминология.
Фиксированные уровни, к которьпм «привязываются» отсчеты, называют уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон изменения сигнала u(t) уровнями квантования на отдельные области значений, называемые шагами квантования, образуют шкалу квантования. Последняя может быть как линейной, так и нелинейной, в зависимости от условий преобразования. Округление отсчета до одного из двух ближайших уровней (верхнего или нижнего) определяется положением порогов квантования (рис. 5.1,в).
Возможность восстановления в зрительном аппарате человека исходного изображения по его квантованному приближению (в теореме эта операция не предусматривается) вытекает из ограниченности контрастной (и цветовой) чувствительности зрительной системы.
Строго говоря, дискретизированный и квантованный сигнал пкв(пТ) уже является цифровым. Действительно, если амплитуда импульсов дискретизированного сигнала и(пТ) может принимать любые произвольные значения в пределах исходного динамического диапазона сигнала u(t), то операция квантования привела к замене всех возможных значений амплитуды сигнала ограниченным числом значений, равным числу уровней квантования. Таким образом, квантованная выборка сигнала выражается некоторым числом в системе счисления с основанием т, где т — число уровней квантования. По цифровой сигнал в такой форме по помехозащищенности мало выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом т. Для увеличения помехозащищенности сигнала его лучше всего преобразовать в двоичную форму, т.е. каждое значение уровня сигнала записать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение уровня) будет преобразован в кодовую комбинацию символов 0 или I (рис. 5.1,г). В этом и состоит третья, заключительная операция но преобразованию аналогового сигнала u(t) в цифровой, называемая операцией кодирования.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
87
Кодирование представляет собой преобразование квантованного значения отсчета икв(пТ) в соответствующую ему кодовую комбинацию символов	Наиболее распространенный способ кодиро-
вания ТВ сигнала — представление его дискретных и проквантован-ных отсчетов в натуральном двоичном коде. Этот способ получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). На рис. 5.1,г показан результат преобразования фрагмента исходного сигнала u(t) в последовательность комбинаций двоичного трехразрядного кода.
Часто всю совокупность перечисленных операций — дискретизации, квантования и кодирования для краткости называют кодированием телевизионного сигнала. Это имеет определенные технические основания, поскольку все эти три операции выполняются одним техническим устройством — аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый производится в устройстве, называемом цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи — непременные блоки любых цифровых систем передачи, хранения и обработки изображений.
Исследования ИКМ в телевидении начались сравнительно давно. Первые предложения относятся еще к 30-м годам. Но только недавно этот метод стал применяться в вещательном телевидении. Причина столь длительного внедрения объясняется жесткими требованиями к быстродействию устройств преобразования и передачи цифрового сигнала. Чтобы пояснить это, оценим скорость передачи цифрового потока ИКМ сигнала по каналу связи.
При непосредственном кодировании телевизионного сигнала методом ИКМ кодовые комбинации создаются с частотой, равной частоте отсчетов, т.е. частоте дискретизации. Каждая кодовая комбинация соответствует определенному отсчету и содержит некоторое число к двоичных символов (битов).
Скоростью цифрового потока с называется число передаваемых двоичных знаков в единицу времени. За единицу скорости принимается 1 бит в секунду. Таким образом, скорость передачи ТВ сигнала в цифровой форме рйвна произведению частоты дискретизации /д и числа двоичных символов к в одном дискретном отсчете:
с = fAk.	(5.2)
Для количественной оценки скорости передачи ИКМ сигнала необходимо обосновать выбор к и /д. Число двоичных символов к в кодовой комбинации одного отсчета связано с числом уровней квантования т исходного сигнала соотношением
к — log2 т « 3, 31gm.	(5.3)
Выбор числа уровней квантования определяется требованием к минимизации ошибок (ошибок квантования), возникающих из-за за
88
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
мены истинных значений отсчетов сигнала их квантованными (приближенными) значениями. Ошибки квантования носят случайный характер. Поэтому искажения, вызываемые этими ошибками, часто называют шумами квантования. На изображении они могут проявляться по-разному, в зависимости от свойства кодируемого сигнала. Если собственные шумы аналогового сигнала невелики по сравнению с шагом квантования, то шумы квантования проявляются на изображении в виде ложных контуров. Такие искажения хорошо заметны при «грубом» квантовании, когда число уровней квантования недостаточно. В этом случае плавные яркостные переходы превращаются в ступенчатые. Наиболее заметны ложные контуры на изображениях с крупными планами. Этот эффект усугубляется на подвижных изображениях. Эксперименты показывают, что ложные контуры перестают восприниматься, если число уровней квантования превышает 100-200, т.е. шум квантования не превышает 0,5... 1 % размаха сигнала. Эти данные хорошо согласуются с понятиями о контрастной чувствительности зрения.
Если собственные шумы аналогового сигнала достаточно велики и превышают шаг квантования, то искажения квантования проявляются уже не как ложные контуры, а как шумы, равномерно распределенные по спектру. Флуктуационные помехи исходного сигнала как бы подчеркиваются, изображение в целом начинает казаться более зашумленным.
Недостаточное число уровней квантования особенно неприятно сказывается на цветных изображениях. Шумы квантования проявляются в виде цветных узоров, особенно заметных на таких сюжетах, как лицо крупным планом, на плавных перепадах яркости и пр. В настоящее время рекомендуется использование линейной десятиразрядной шкалы квантования, предусматривающей квантование соответственно на 1024 уровня. Хотя еще несколько лет назад считалось вполне удовлетворительным квантование на 256 уровней (восьмиразрядной шкалой).
На рис. 5.2 приведены диаграммы, дающие представление о соответствии между аналоговым сигналом яркости Еу и уровнями кван-
Рис. 5.2. Соответствие размаха
яркостного аналогового сигнала шкале кван-
тования:
a — восьмиразрядная шкала; 6— десятиразрядная шкала
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
89
тования для восьми- и десятиразрядиой шкалы. В восьмиразрядной шкале сигналу отводится 220 уровней квантования (с 16-го, соответствующего уровню черного, по 235-й, соответствующий белому). В десятиразрядной шкале яркостный сигнал квантуется на 877 уровней (64-й соответствует уровню черного, а 940-й — уровню белого). Из неиспользуемых уровней одна часть резервируется для цифровых синхронизирующих сигналов, другая — представляет собой рабочий запас на возможные в процессе преобразования аналогового сигнала превышения им допустимого диапазона значений. Подобные случаи для аналоговой техники весьма вероятны, а связанные с этим перегрузки аналогово-цифровых преобразователей приводили бы к заметным неустранимым искажениям в изображении.
Рассмотрим теперь факторы, определяющие выбор частоты дискретизации. Дискретизация — первая операция из всего комплекса преобразований аналогового сигнала в цифровой. Исходный сигнал u(i) после дискретизации можно представить в виде суммы:
и(пТ) = Е u(t)6(t-nT),	(5.4)
п= —оо
где 6 — дельта-функция; Т — период дискретизации. Если (5.4) подвергнуть преобразованию Фурье, то
оо
5д(/)= Е S(f-nf»),	(5.5)
п= —ОО
где S(f) и S(fp) — спектры исходной и дискретизированной функций соответственно [15].
Из (5.5) следует, что спектр дискретизированного сигнала представляет собой сумму исходного спектра (?г = 0) и «побочных» или дополнительных спектров того же вида, но сдвинутых один относительно другого на /ц, 2/д,.. .и т.д. (рис. 5.3). Из рисунка видно, что с помощью идеального фильтра нижних частот (ФНЧ) с частотой среза Уфнч можно выделить спектр исходного сигнала, если выполняются условия:
1)	Уд 2угр; 2) Угр Уфнч Уд — Угр-
Если же частота отсчетов выбрана из условия Уд < 2угр, то после дискретизации побочные спектры будут перекрывать основной (рис. 5.4), и восстановить исходный сигнал без помех невозможно.
Таким образом, при полосе частот яркостного сигнала, равной 6 МГц, частота дискретизации должна быть выбрана не менее 12 МГц. Учитывая невозможность создания фильтра нижних частот с прямоугольной АЧХ, эта цифра должна быть несколько увеличена.
На выбор частоты дискретизации влияют также следующие обстоятельства. Изображение, подвергнутое кодированию, представляет собой совокупность отсчетов (пикселей), структура которых за-
90
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 5.3. Спектр сигнала после дискрети-
Рис. 5.4. Перекрытие спектров при /д < 2/гр
зации
Строки изображения
Рис. 5.5. Ортогональная структура дискретизации
висит от частоты дискретизации. Лучшие результаты достигаются при фиксированной относительно телевизионного растра структуре отсчетов, расположенных в узлах прямоугольной решетки — так называемая ортогональная структура дискретизации (рис. 5.5). Для этого необходимо, чтобы частота дискретизации была кратной частоте строк. Кроме того, желательно удовлетворение этому требованию одновременно для двух мировых стандартов разложения: 625/50 и 525/60. Одним из вариантов, отвечающих этим условиям, является частота 13,5 МГц. В этом случае видимая часть строки изображения для обоих стандартов состоит из 720 пикселей, что примерно соответствует разрешению аналогового вещательного телевидения. Для более высокого формата разрешения частота дискретизации должна быть пропорционально увеличена.
Приняв во внимание параметры квантования и дискретизации аналогового телевизионного сигнала, оценим скорость цифрового потока яркостного сигнала для k = 10 и /д = 13,5 МГц:
с = 10 • 13,5 = 135 Мбит/с.
А если учесть, что кроме сигнала яркости должна быть передана информация о цвете, то общий цифровой поток, формируемый по методу ИКМ, удвоится и будет равен 270 Мбит/с. Столь высоким быстродействием должны обладать как устройства преобразования 'ГВ сигнала, так и каналы связи. Очевидно, нельзя считать экономически целесообразной передачу такого большого цифрового потока по каналам связи. Важной задачей для построения более экономичных ТВ систем является сжатие или компрессия ТВ сообщения.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
91
5.1.2.	Компрессия
Резервы для уменьшения цифрового потока без ущерба качеству воспроизводимого изображения заключены в специфике ТВ сигнала, обладающего, как показывают исследования, значительной информационной избыточностью. Эту избыточность обычно разделяют на статистическую, физиологическую и структурную.
Статистическая избыточность определяется свойствами изображения, которое не является в общем случае хаотическим распределением яркости, а описывается законами, устанавливающими определенные связи (корреляцию) как между яркостями отдельных элементов, так и между их цветностями. Особенно велика корреляция между соседними (в пространстве и во времени) элементами изображения. Использование корреляционных связей позволяет не передавать многократно одни и те же данные и сокращать за счет этого объем сообщения. При этом устранение статистической избыточности в ТВ сигнале может происходить без потери информации, и исходные данные будут полностью восстановлены.
Визуальная или физиологическая избыточность ТВ сигнала обусловливается ограниченностью возможностей зрительного аппарата. Использовать физиологическую избыточность — значит, не передавать в сигнале ту информацию, которая не будет воспринята нашим зрением. Как следствие, устранение физиологической избыточности связано с частичной потерей информации, но той информации, которая не воспринимается зрением, и ее потеря не повлияет на визуальное качество изображения.
Структурная избыточность в соответствии с названием определяется структурой видеосигнала: наличием в аналоговом телевизионном сигнале гасящих импульсов. В цифровом потоке соответствующие им временные интервалы можно исключить или использовать для передачи другой информации, например звукового сопровождения.
Уменьшение цифрового потока ТВ сигнала за счет сокращения статистической и физиологической избыточности в изображении осуществляется в телевидении применением более эффективных методов кодирования по сравнению с ИКМ. При большом их многообразии наиболее широко распространены следующие виды эффективного кодирования: кодирование с предсказанием, кодирование с линейным ортогональным преобразованием, взвешенное квантование, энтропийное кодирование или кодирование с переменной длиной. Перечисленные виды кодирования могут использоваться как самостоятельно, так и в сочетании друг с другом, давая в последнем случае значительно больший эффект. Более подробно эти вопросы будут рассмотрены в следующих разделах этой главы.
В настоящее время существуют стандарты компрессии, которые определяют основные правила эффективного кодирования и декоди-
92
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
ровавия цифровых потоков как изображений, так и связанного с ними звукового сопровождения. Эти стандарты получили общее наименование MPEG, представляющее собой аббревиатуру от названия разрабатывавшего их международного комитета — Moving Pictures Experts Group (Группа экспертов по движущимся изображениям). Разработанные и разрабатываемые стандарты компрессии MPEG не подвергают жесткой регламентации процедуры эффективного кодирования, с тем чтобы оставить возможности для дальнейшего усовершенствования кодеров и декодеров. Стандартизованы только кодовое представление цифрового потока, сформированного устройством компрессии, и процесс декодирования. В Европе в качестве основного стандарта для цифрового телевизионного вещания приняты спецификации сжатия MPEG-2, известные как стандарты «Main Profile at Main Level» (основной профиль при основном уровне), хотя разработаны и другие подмножества стандарта, отвечающие различным сферам применения и качеству изображений.
Эффективность компрессии, достигнутая к настоящему времени, очень велика. Так, для упомянутого основного уровня стандарта MPEG-2 (разрешение 720x576 пикселей) требуется битовая скорость порядка 15 Мбит/с (против приведенного выше значения 270 Мбит/с некомпрессированного ИКМ сигнала).
5.1.3.	Канальное кодирование
Цифровые сигналы с высоким уровнем компрессии весьма уязвимы для помех в канале передачи. Поэтому они нуждаются в эффективном обнаружении и исправлении ошибок. Как показали исследования, в цифровом телевизионном вещании интенсивность ошибок должна быть порядка 1О“10 ... 10“12 бит. Это соответствует появлению за один час передачи не более 0,1... 10 ошибочных бит. Канал передачи со столь низкой интенсивностью ошибок называют квази-безошибочным каналом. Подобных физических каналов в реалии не существует. Тем не менее условия передачи с такими жесткими требованиями к безошибочности передачи цифровой информации должны быть выполнены. Для этого предпринимаются определенные предупредительные меры, которые гарантируют, что ошибки, вызванные физической средой передачи, будут обнаружены и по возможности скорректированы. С этой целью сигнал подвергается так называемому помехоустойчивому кодированию, при котором в сигнал вводится определенная избыточность, позволяющая обнаруживать ошибки и исправлять их. Из помехоустойчивых кодов наиболее широко применим код Рида-Соломона. Введение дополнительной избыточности для реализации помехоустойчивого кодирования не снижает заметным образом общий результат, достигнутый от применения приемов компрессии цифрового сигнала.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
93
Кроме того, компрессированный цифровой сигнал подвергается и некоторым другим операциям, которые в совокупности с помехоустойчивым кодированием относят к разряду процедур так называемого канального кодирования. В частности, производится: операция скремблирования данных с целью более равномерного распределения энергии сигнала и так называемое перемежение, которое позволяет длинные пакеты ошибок распределить на отсчеты, далеко отстоящие друг от друга. Процедуры канального кодирования рассматриваются в гл. 13.
5.1.4.	Модуляция
Существующие каналы связи имеют значительное ограничение по полосе пропускания частот. Особенно это касается сетей распределения сигналов наземного телевидения. Способ модуляции в большой степени определяет результирующий спектр частот цифрового сигнала, основные компоненты которого должны попадать в полосу частот канала.
Следует отметить, что обычная амплитудная, частотная или фазовая модуляция двухпозиционным (двухуровневым) кодом, при которой логические 0 или 1 представляются двумя значениями несущей, крайне неэффективна. Это обусловлено, во-первых, большой шириной спектра самого модулирующего сигнала и, во-вторых, удвоением (как минимум) ширины спектра сигнала после модуляции.
Полоса частот модулирующего сигнала не может быть ниже определенного предела, при котором возникают непреодолимые межсимвольные искажения. Этот предел получил название порога Найквиста и характеризуется для двухпозиционного кода удельной величиной скорости передачи данных, равной 2 бит/с на Гц. Это означает, что для цифрового сигнала, сформированного в соответствии с основным уровнем MPEG-2 (скорость передачи 15...20 Мбит/с), потребуется полоса пропускания не менее 8... 10 МГц, которая в свою очередь может удвоиться при использовании обычных методов модуляции.
Значительное сокращение спектра частот могут обеспечить современные способы модуляции: относительная квадратурная фазовая манипуляция (для спутникового телевидения), квадратурная амплитудная модуляция (для кабельного телевидения), кодированное ортогональное частотное уплотнение (для наземного цифрового телевидения) и ряд других. Более подробно вопросы модуляции рассматриваются в главе, посвященной цифровым системам телевизионного вещания.
5.1.5.	Обобщенная структурная схема системы цифрового телевидения
Подлежащий преобразованию аналоговый сигнал поступает на вход цифровой ТВ системы (рис. 5.6). Этот сигнал подвергается
91
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 5.6. Обобщенная структурная схема ЦТС
предварительной обработке для упрощения последующих цифровых преобразующих устройств. Например, полный цветовой сигнал разделяется в устройстве предварительной обработки на сигнал яркости и цветоразностные сигналы с тем, чтобы цифровые преобразования производились с каждым из трех сигналов отдельно. Можно ввести в аналоговый сигнал определенные предыскажения для улучшения субъективного качества выходного изображения и т.п. Несмотря на то что многие из этих предварительных операций по обработке могут быть сделаны и в цифровой форме, на определенном этапе развития технически проще их выполнять в аналоговой форме. Далее, подготовленный для преобразования аналоговый сигнал поступает на кодирующее устройство, в котором он дискретизируется, квантуется и предварительно кодируется. Как указывалось, в полученном таким образом сигнале содержится значительная избыточность, которая может быть в определенной степени сокращена дополнительным, более эффективным кодированием перечисленными выше методами компрессии. Затем цифровой сигнал подвергается так называемой прямой коррекции ошибок, выполняемой в устройстве канального кодирования, и наконец поступает на выходной преобразователь (например, на модулятор передающего устройства). В приемном устройстве осуществляются обратные операции.
Приведенная на рис. 5.6 схема является обобщенной. В зависимости от задач, стоящих перед цифровой системой, она может видоизменяться. Например, система вообще не будет содержать аналоговых звеньев, если использовать преобразователи свет-сигнал и сигпал-свет, генерирующие и преобразующие сигнал в цифровом виде'. В другом случае могут отсутствовать устройства, повышающие помехоустойчивость сигнала в каналах связи. Это допустимо при отсутствии протяженных линий связи и, в частности, при цифровой обработке сигнала внутри одного телецентра. В том же случае не обязательны и устройства, устраняющие в ТВ сигнале избыточность и сокращающие цифровой поток.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
95
5.2.	Методы видеокомпрессии
Компрессией телевизионного сигнала называется устранение из него избыточной информации для уменьшения скорости цифрового потока и, как следствие, более эффективного использования каналов передачи.
Общая характеристика возможностей видеокомпрессии была рассмотрена в п. 5.1.2. В данном параграфе излагаются конкретные технические приемы по сокращению избыточности видеоинформации, используемые в цифровом телевизионном вещании.
Избыточность информации в потоке цифровых данных объясняется прежде всего спецификой ТВ изображения. Известно, что, несмотря на равновероятность любых из возможных значений яркости (цветности) для одного элемента изображения, содержание соседствующих с ним элементов мало отличается или не отличается вовсе. При поэлементной передаче яркости и цветности методом ИКМ в канал таким образом посылается одна и та же или мало отличающаяся по содержанию информация. Подобную избыточность информации в сигнале называют пространственной или внутрикадровой.
Значительная избыточность содержится и в передаче смежных во времени кадров изображения, в которых, несмотря на движение отдельных фрагментов, существенную роль играют общие для них неподвижный фон или задний план. Такого рода избыточность называют временной или межкадровой. И пространственная, и временная избыточность обусловлены статистическими свойствами телевизионного изображения.
Следует также учитывать, что цифровой ИКМ сигнал, являющийся продуктом преобразования аналогового сигнала, содержит и определенную психофизическую избыточность информации. В этой информации содержатся данные о таких особенностях воспроизводимого изображения, которые визуально не фиксируются и, следовательно, такая информация без ущерба качеству изображения может быть изъята из передачи.
Устранение избыточности информации в цифровом сигнале в конечном счете должно выразится в уменьшении числа отсчетов сигнала и (или) уменьшении разрядности их двоичных кодовых символов. Реализация таких процедур напрямую с ИКМ сигналом недопустима, так как изъятие из сигнала отдельных отсчетов или замена их значений па более грубо проквантованные соответствует изъятию в воспроизводимом изображении соответствующих элементов или их искаженному представлению. Попытка изъятия отдельных элементов из группы равноправных слагаемых изображения как с информационной, так и с энергетической точки зрения приводит к необратимой потере качества изображения.
Решение задачи по устранению избыточности информации в цифровом сигнале возможно только путем его предварительной обработки, которая должна перераспределить вклад отдельных отсчетов
90
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
преобразованного сигнала в общее содержание изображения. Перераспределив таким образом функциональную значимость между отдельными отсчетами, можно будет выделить «главные» отсчеты, несущие основной объем информации, обеспечив им наилучшие условия передачи, а на остальных отсчетах «сэкономить», не передавая их или передавая с минимальным числом градаций.
К настоящему времени предложено сравнительно много методов обработки сигнала с таким подходом. В данном параграфе будут рассмотрены самые распространенные приемы, и в частности рекомендованные стандартами компрессии MPEG.
5.2.1.	Дискретно-косинусное преобразование
Методы преобразования изображения в общем случае основаны на том, что его цифровой эквивалент (сигнал ИКМ) приводится к виду, удобному для сокращения избыточной информации. В этом отношении наиболее эффективным является преобразование видеоинформации из временной области в спектральную. Это преобразование, как правило, предваряется разбивкой изображения на частичные подобласти, фрагменты (в терминологии MPEG — блоки), которые затем по отдельности подвергаются необходимой обработке. Результат преобразования представляет собой совокупность спектральных коэффициентов, которые характеризуют амплитуды пространственных частот изображения.
В основу преобразования изображений могут быть положены различные приемы. Наиболее часто используются методы линейных ортогональных преобразований. Линейность преобразований означает, что операции сложения, вычитания и умножения на скаляр действительны и после преобразований, а ортогональность — что преобразуемый фрагмент представляется ограниченным набором ортогональных функций. Линейные преобразования можно осуществлять как с непрерывным, так и с дискретным сигналом. В первом случае процессу преобразования соответствует интегральная форма записи, во втором — матричная.
Из различных ортогональных преобразований, позволяющих эффективно выявлять избыточную информацию, стандартом MPEG рекомендовано использовать дискретно-косинусное преобразование (ДКП), являющееся частным случаем двумерного преобразования Фурье. Как известно, преобразование Фурье — это метод обработки, который, анализируя изменения сигнала во времени, выражает их в виде частотного спектра. Любой сигнал можно разложить на частотные гармонические составляющие, и затем по известным значениям амплитуды и фазы этих составляющих их линейным суммированием восстанавить исходный сигнал. Последнюю операцию называют обратным преобразованием Фурье. В цифровых системах сигнал выражается последовательностью дискретных отсчетов. При
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
97
N элементов
N элементов
/(0,0) •	•	•	•	/(0,N-l)
^(0,0) ....	F(0,N-l)
771

F( \
1 (т,п)

/(N —1,0)’	•	•	• /(N-l.N-l)

У
а)
б)
Рис. 5.7. Преобразование блока изображения f(Xty) в блок ДКП коэффициентов F(m>n):
а — блок изображения; 6 — блок коэффициентов ДКП
использовании преобразования Фурье для фрагмента цифрового сигнала из некоторого ограниченного числа отсчетов последний можно разложить на такое же число дискретных частот. Это преобразование называют дискретным преобразованием Фуръе.
Поскольку любое изображение или его фрагмент можно рассматривать как функцию изменения яркости (цветности) как по оси X, так и по оси У, то дискретное ортогональное преобразование Фурье будет представлять собой замену массива отсчетов изображения соответствующего фрагмента на массив коэффициентов, соответствующих амплитудам частотных составляющих Фурье.
Объем машинных расчетов для нахождения этих коэффициентов весьма значителен. Поэтому преобразования осуществляются над небольшими по размеру фрагментами, обычно 8x8 элементов. Дискретно-косинусное преобразование Фурье в определенной степени минимизирует объем этих вычислений использованием в качестве набора преобразующих (базисных) функций только косинусных составляющих. В результате массиву исходных значений сигнала соответствует массив из такого же числа коэффициентов, представляющих собой амплитуды этих косинусных составляющих [16].
Аналитически двумерное дискретно-косинусное преобразование описывается следующим образом (рис. 5.7):
_2	Wf 7гт(2а; + 1) тт(2у +1)
F(m,n) —	2^ 2^ cos 2N - 1 C°S 2N - 1 ’
х = 0 у=0
(5.6) где С(т) = 1 при 7?г	1; С(т) = 1/л/2 при т = 0; C(n) = 1 при
п / 1; С(п) = 1/\/2 при п = 0; j\x,y) — отсчеты изображения с пространственными координатами х,у (от 0 до N — 1); N — размер блока изображения (NxN элементов); — коэффициенты, характеризующие изображение в спектральной плоскости т, N (от 0 до N — 1).
ДКП является обратимым: по распределению обратным преобразованием однозначно восстанавливается j\x,yy
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
59	59	59	60	60	65	64	64
63	62	62	62	62	61	61	62
137	123	111	101	96	89	88	86
237	236	235	233	231	216	213	208
225	229	232	232	231	237	238	239
193	195	197	198	199	204	204	205
182	182	181	181	181	180	180	180
183	182	181	180	179	178	178	177
а)
1249	19	3	1	1	1	0	1
-381	14	3	2	2	0	0	1
-318	-14	3	1	-1	0	1	— 2
31	-45	-4	-3	-5	0	2	-4
154	—7	-8	— 2	— 2	0	-1	0
38	20	-3	2	2	0	— 2	2
-39	11	8	3	0	1	1	0
-42	3	10	1	-1	1	1	-1
б)
Рис. 5.8. Пример дискретно-косинусного преобразования для некоторого произвольного сюжета:
а — блок изображения; 6 — блок коэффициентов ДКП
Вернемся к вопросу о задаче рассматриваемых преобразований, являющихся довольно сложными и значительными по объему расчетов. Очевидно, что поскольку число отсчетов преобразуемого сигнала равно числу отсчетов преобразованного сигнала, устранения избыточности информации в результате такого преобразования не происходит. Однако следует обратить внимание на значительное изменение содержания блока коэффициентов ДКП по отношению к блоку преобразуемого изображения (рис. 5.8). По физическому смыслу блок коэффициентов ДКП представляет собой совокупность значений амплитуд пространственных косинусоидальных гармоник с частотами тип. При этом значение F(o,o) пропорционально среднему уровню (постоянной составляющей) в блоке и может достигать при 256 уровнях квантования значения 2040. (Чтобы ошибки от округления коэффициентов ДКП не сказывались существенным образом на точности преобразования, их значения на этапе преобразования увеличены в восемь раз по сравнению с их действительными значениями.)
Компоненты и F(lj0) характеризуют плавное изменение яркости в блоке вдоль строки и поперек строк соответственно. Разночастотные изменения яркостей пикселей с диагональными структурами характеризуются диагональными спектральными компонентами ^(2,2) >
Обычно для большинства блоков изображения лишь малая часть коэффициентов имеет значительную величину. Это объясняется небольшими размерами блока, внутри которого яркость меняется мало, и поэтому относительно большие величины имеют только постоянная составляющая и несколько низкочастотных компонентов, расположенных в левом верхнем углу матрицы коэффициентов ДКП (см. рис. 5.8).
Мелким деталяхм изображения, как известно, соответствуют высокие! пространственные частоты, и коэффициенты ДКП, характери
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
99
зующие их амплитуды, располагаются правее и ниже. Поскольку, как правило, мелкие детали изображения выражены энергетически слабо относительно среднего уровня, то и соответствующие им коэффициенты ДКП по сравнению с малы или вообще равны нулю.
Таким образом, если передавать вместо значений яркости изображения коэффициенты ДКП, то сокращение скорости передачи данных может быть достигнуто уже хотя бы за счет исключения нулевых коэффициентов. Однако эта задача решается уже вне процедуры ДКП.
5.2.2.	Квантование коэффициентов дискретно-косинусного преобразования
Выгодное для компрессии различие в амплитудах между отдельными коэффициентами ДКП может быть еще более усилено за счет устранения психофизической избыточности в изображении. Как следствие, увеличится число нулевых коэффициентов и коэффициентов с малыми значениями. Эта задача решается в процессе квантования коэффициентов, полученных после ДКП.
Установлено, что глаз более чувствителен к ошибкам передачи яркости и цветности на больших площадях, в то время как при передаче контуров и мелких деталей остаются незамеченными более серьезные ошибки. Отсюда вытекает возможность определенного огрубления значений коэффициентов ДКП, отвечающих за передачу мелких деталей и контуров, без возникновения заметных для глаза искажений в изображении.
С этой целью производят процедуру квантования коэффициентов ДКП блока на разное число уровней: коэффициенты, расположенные в левом верхнем углу блока, квантуются на максимально большое число уровней (особенно это касается коэффициента ^(о,о) > отвечающего за среднюю яркость блока); остальные коэффициенты передаются с меньшей точностью, а значит, квантуются на меньшее число уровней. Для тех же из них, что располагаются в правом нижнем углу, шкала квантования может содержать всего несколько уровней. Практическая реализация процесса квантования достигается поэлементным делением матрицы коэффициентов ДКП па матрицу квантования.
В приемном устройстве, прежде чем осуществить обратное дискретно-косинусное преобразование для восстановления исходного изображения, матрица ДКП умножается на матрицу квантования. Эта операция называется деквантованием. Очевидно, что после деквантования возвратиться к исходному, неквантованному блоку ДКП уже нельзя. Ошибки, возникающие от округления квантуемых величин, и связанные с ними искажения в изображении необратимы. Отсюда вытекает необходимость отыскания таких матриц квантования, которые не приводили бы к визуально заметным искажениям.
100
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
8	16	19	22	26	27	29	34
16	16	22	24	27	29	34	37
19	22	26	27	29	34	34	38
22	22	26	27	29	34	37	40
22	26	27	29	32	35	40	48
26	27	29	32	35	40	48	58
26	27	29	34	38	46	56	69
27	29	35	38	46	56	69	83
Рис. 5.9. Матрица взвешенного квантования коэффициентов ДКП
156	1	0	0	0	0	0	0
-24	1	0	0	0	0	0	0
-17	-1	0	0	0	0	0	0
1	-2	0	0	0	0	0	0
7	0	0	0	0	0	0	0
1	1	0	0	0	0	0	0
— 2	0	0	0	0	0	0	0
—2	0	0	0	0	0	0	0
Рис. 5.10. Значения коэффициентов ДКП, полученные делением матрицы рис. 5.8,б- на матрицу квантования рис. 5.9
На рис. 5.9 приведена матрица квантования, используемая стандартом MPEG. Учитывая, что значения большинства коэффициентов ДКП в блоке весьма малы, деление их на числа, характеризуемые почти двумя порядками, приводит или к обнулению многих коэффициентов, или к сильному их уменьшению (рис. 5.10). Это в свою очередь позволит при передаче проквантованных значений коэффициентов ДКП по каналу связи значительно уменьшить скорость цифрового потока.
5.2.3.	Кодирование коэффициентов дискретно-косинусного преобразования
Следующим шагом после квантования коэффициентов ДКП является преобразование матрицы этих коэффициентов в одномерную последовательность. Именно здесь окончательно реализуется процесс устранения избыточности, подготовка к которому проводилась на рассмотренных выше этапах ДКП и взвешенного квантования. Данное преобразование предусматривает объединение коэффициентов матрицы в определенные группы и применение затем так называемого энтропийного кодирования.
Алгоритм группирования (упорядочивания) коэффициентов ДКП существенно влияет на эффективность компрессии. Он заключается в том, что в процессе сканирования преобразуемой во временную последовательность чисел матрицы нулевые коэффициенты объединяются в максимально длинные серии. Тогда их описание может сводиться к лаконичной записи длины серии и ее местоположения в матрице. Одним из вариантов такого алгоритма группирования является зигзагообразное сканирование, при котором преобразование начинается с левого верхнего угла матрицы и заканчивается в ее правом нижнем углу (рис. 5.11). Поскольку именно в правом нижнем углу сосредоточено большинство нулевых коэффициентов, такой порядок сканирования обеспечивает формирование наиболее
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
101
Рис. 5.11. Зигзаг-сканирование коэффициентов ДКП
длинных серий нулей, а следовательно, и самую компактную форму их передачи.
Полученная в результате сканирования последовательность чисел подвергается упомянутому выше энтропийному кодированию или кодированию с переменной длиной слова. Наиболее употребимым из энтропийных кодов является код Хаффмана. Он основывается на том, что коды символов, обладающих большей вероятностью, описываются меньшим числом бит, чем коды символов с меньшей вероятностью. Как было показано, после взвешенного квантования матрицы ДКП в последней преобладают числа с малыми амплитудами, и их целесообразно кодировать короткими словами. Большие амплитуды, характерные для левого верхнего угла матрицы, по сравнению с другими значениями коэффициентов встречаются реже, и им можно приписать символы с большим числом разрядов.
Эффективность энтропийного кода Хаффмана повышается также за счет того, что не требуется разделителей между символами. И хотя последние имеют различную битовую длину, они декодируются единственным образом.
5.2.4.	Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция
Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ), представляющая собой еще один из методов эффективного кодирования цифрового телевизионного сигнала, в основном применяется при сокращении его временной избыточности. Как известно, в большинстве случаев содержание двух соседних во времени телевизионных кадров мало отличается друг от друга. Отличие заключается только в положении отдельных подвижных фрагментов изображения. В основном же в этих кадрах содержится очень много одинаковых областей, информацию о которых многократно передавать нецелесообразно. Можно ограничиться передачей значений только одного кадра, а содержание последующих, используя статистические законы, предсказать, т.е. вычислить на приемном конце системы.
Однако как бы ни были близки по содержанию соседние кадры, как бы ни был совершенен их статистический анализ, предсказание
102
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
а)	б)
Рис. 5.12. Структура системы ДИКМ: а — кодер; 6— декодер; ап — текущее значение сигнала: ап — предсказанное значение сигнала; (а„ — dn) —сигналошибки
может нести в себе ошибку. Эта ошибка для каждого элемента изображения обязательно учитывается и корректируется. Только при этом условии на приемном конце системы воссоздается изображение, соответствующее оригиналу.
Отсюда вытекает следующий принцип кодирования сигнала с предсказанием: передача в каждом отсчете кодированной разности между текущим истинным значением сигнала и предсказанным. Эту разность называют ошибкой предсказания. Чем точнее сделано предсказание, тем меньший объем данных будет содержаться в подлежащем передаче разностном сигнале. Логично ожидать, что этот объем будет меньше, чем в полном отсчете.
Чтобы сформировать необходимый для передачи сигнал ошибки предсказания, на передающем конце системы устанавливается устройство предсказания и вычитающий каскад (рис. 5.12). На приемном конце системы исходный сигнал восстанавливается сложением предсказанного и принятого сигнала ошибки предсказания. Устройства предсказания на обоих концах системы для правильного восстановления в приемнике исходных значений сигнала должны быть одинаковыми.
Предсказание, применяемое в системе, может быть организовано различными способами и с разной степенью сложности. Однако вполне хорошие результаты по глубине достигаемой компрессии реализуются весьма простым способом, когда в качестве сигнала предсказания используются значения предыдущего кадра.
Статистические исследования показали, что свойства телевизионного изображения, обусловленные межкадровыми связями, в целом аналогичны пространственным свойствам в неподвижном изображении. А коэффициенты корреляции в соседних кадрах получаются зачастую даже большими, чем для соседних пикселей в одном кадре [1G]. Отсюда следует вывод о целесообразности обработки разностного сигнала ДИКМ рассмотренными ранее способами для вну-трикадровой обработки, к каковым относятся ДКП, взвешенное квантование и энтропийное кодирование. В этом случае структура системы ДИКМ приобретает вид рис. 5.13 и работает следующим образом.
Для первого кадра из последовательности кадров, подлежащих преобразованию, предсказание не может быть выполнено из-за отсутствия каких-либо априорных сведений (отсутствия предшествующих
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
103
Рис. 5.13. Структура Д1/1КМ, совмещенная с процедурами ДКП и квантования: а—кодер; б—декодер
ему кадров). Поэтому предсказанные значения отсчетов для первого кадра можно приравнять нулю, и тогда сигнал ошибки предсказания будет представлять собой непосредственно отсчеты этого первого кадра. Следующее за вычитающим каскадом устройство осуществляет ДКП отсчетов первого кадра, т.е. выявляет в нем пространственную избыточность. Дальнейшие процедуры над коэффициентами ДКП описаны в предыдущих разделах (взвешенное квантование и энтропийное кодирование). Компрессированный цифровой поток через соответствующие устройства передачи направляется в приемное устройство (декодер), где осуществляются обратные операции.
Второй и последующие кадры передаются по алгоритму ДИКМ. Для этого в кодере формируется сигнал предсказания. В качестве него можно использовать отсчеты предыдущего кадра. Однако следует отметить, что истинные значения предыдущего кадра, полученные в кодере, например, задержкой на время кадра, не пригодны в качестве предсказания. Дело в том, что предыдущий кадр, используемый в качестве предсказания в декодере, отличается от своего истинного значения, так как в процессе перечисленных выше преобразований он реконструируется в декодере с определенной погрешностью. А поскольку предсказываемые значения на обоих концах системы должны быть одинаковы, то формирование предсказания в кодере проводится по тому же алгоритму, что и в декодере. С этой целью в петлю обратной связи кодера, где формируется предсказание, включается деквантователь и процессор обратного преобразования Фурье. Энтропийное кодирование в общем случае не вносит ошибок, а значит, не влияет на формирование сигнала предсказания. Предсказа
104
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
тель, таким образом, представляет собой задержку на время кадра отсчетов, воспроизводимых на приемном конце системы.
Первый кадр рассмотренной преобразуемой последовательности кадров называется опорным. Из него устранена только пространственная избыточность. По сравнению с ним последующие кадры компрессированы значительно сильнее. Как следствие, они менее помехоустойчивы. Для поддержания необходимой помехоустойчивости системы и сведения к минимуму возможных сбоев в ее работе в последовательность разностных сигналов ДИКМ периодически врезаются опорные кадры. Их периодичность в стандарте MPEG составляет около 0,5 с.
Разностный сигнал и сигнал опорного кадра после ДКП квантуется по разным алгоритмам. Если для опорного кадра используется рассмотренная в п. 5.2.2 матрица квантования для внутрикадрового кодирования (см. рис. 5.9), то для разностного сигнала применяется другая, более однородная матрица. Это объясняется тем, что разностный сигнал в основном несет информацию о небольших изменениях в отдельных фрагментах изображения (в процессе их перемещения). И высокие частоты (коэффициенты ДКП правого нижнего угла), ответственные за детализацию изображения, столь же важны, как и низкие. Конкретный вид матрицы в зависимости от сюжета может меняться, но по умолчанию используется однородная матрица квантования с постоянным значением 16 для всех частот, включая нулевую [17].
5.2.5.	Компенсация движения в динамических изображениях
Из принципа работы ДИКМ следует, что чем ближе по содержанию соседние кадры, тем меньше в разностном сигнале информации, а значит, тем эффективнее компрессия. Всякое изменение положения отдельных фрагментов изображения в результате их собственного движения или перемещения передающей ТВ камеры снижает эффективность кодирования. Сохранить эффективность работы ДИКМ можно соответствующим анализом характера движения. Целью анализа является возможность установления соответствия между предыдущим по времени блоком изображения и блоком в текущем кадре, смещенным в пространстве на координаты Д.т, /\у. Под соответствием понимается достижение максимально точного равенства яркостей пикселей1 некоторого блока в текущем кадре яркостям пикселей блока, найденного в предшествующем кадре:
+	Ay,t+A t) —	(^-0
1 Пиксел — англоязычный синоним термина «элемент», получивший сейчас широкое распространение в технической литературе (особенно в области цифровой обработки изображений). В дальнейшем изложении могут использоваться оба варианта.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
105
где b — яркость пикселей; At — время между сравниваемыми кадрами.
Разницу в координатах (Ат, Ат/) этих двух блоков называют вектором движения. Нахождение вектора движения, другими словами, есть определение нового положения подвижного фрагмента изображения.
Под компенсацией движения понимается использование в качестве предсказания блока из предшествующего (или последующего) кадра, но при этом смещенного в плоскости изображения на величину вектора движения. Такое предсказание позволяет значительно уменьшить ошибку предсказания по сравнению с обычной ДИКМ. Это иллюстрируется рис. 5.14, где представлена последовательность из трех кадров изображения с перемещающимся серым квадратом на фоне гладкого белого фона (рис. 5.14,а).
Первый кадр bi в этой последовательности является опорным. Как отмечалось, предсказание для него не делается (сигнал предсказания равен нулю для всего изображения), и он подвергается только внутрикадровой компрессии. Предсказанием для второго кадра 62 является реконструируемый по алгоритму ДКП и взвешенного квантования первый кадр bi. Ошибка предсказания для второго кадра в обычной ДИКМ равна 62—^1, для третьего кадра — соответственно 63 — 62 и т.д. Для простоты следует пренебречь небольшой разницей между истинными значениями отсчетов 62, Ьз,— и их реконструируемыми значениями 61, 62,	••• • Тогда ошибки предсказания для
обычной ДИКМ будут иметь вид рис. 5.14,6', где черный фон соответствует нулевым значениям, а серый — остальному множеству отсчетов. Если бы в предложенном примере движение отсутствовало, то ошибка предсказания для второго и последующих кадров равнялась бы нулю для всего изображения. Именно такого результата для данного примера с движущимся фрагментом изображения, а не статическим удается добиться в ДИКМ с компенсацией движения.
В этом случае предсказание для первого (опорного) кадра, как и при обычной ДИКМ, равно нулю, а для второго и последующих кадров соответственно — &i(x + Axi,t/ + A?/i), £>2(2 + Ат2,у + Здесь Ati, Ат/i, Ат2, Ат/2 и т.д. — изменение координат движущегося фрагмента (векторы движения) в последовательности кадров (рис. 5.14,в). В результате ошибка предсказания для приведенного примера с подвижным фрагментом изображения в ДИКМ с компенсацией движения обращается в нуль для всего множества отсчетов изображения (рис. 5.14,г), что иллюстрирует более эффективную компрессию.
При реализации компрессии с компенсацией движения сигнал ошибки предсказания должен дополняться передачей данных о векторах движения. Последние, так же как и коэффициенты ДКП, компрессируются использованием кодов переменной длины.
Абсолютное равенство в (5.7) может быть достигнуто только при
106
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Ьз
bi
+	+ А?/?)
Рис. 5.14. Сравнение обычной ДИКМ и ДИКМ с компенсацией движения: а — исходная последовательность изображений; 6—ошибка предсказания при обычной ДИКМ; в— предсказание с учетом вектора движения; г—ошибка предсказания с компенсацией движения
выполнении следующих условии [16]: движение объекта в изображении исчерпывается только плоскопараллельным перемещением, его яркость постоянна, градиент яркости фона равен нулю, и все объекты в блоке движутся с постоянной скоростью. Именно этим условиям отвечает пример изображения, приведенный на рис. 5.14, и соответственно предельно достижимый результат компрессии (сигнал ошибки в системе с компенсацией движения равен нулю). Нарушение пе
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
107
речисленных выше условий уменьшает эффективность компрессии.
К возможным факторам, влияющим на эффективность кодирования, следует отнести и осложнения глобального порядка, когда происходит резкое изменение сюжета (например, при коммутации одновременно работающих камер). При этом изменения в изображении охватывают все пространство в кадре, и блоков, соответствующих друг другу с удовлетворительной точностью, в смежных кадрах не существует. Эффективность компрессии в таких экстремальных случаях может снижаться настолько, что целесообразно отказываться от процедуры ДИКМ, и для таких изображений данные передавать только на основе внутрикадровой компрессии. Решение о замене способа кодирования должно приниматься в кодере автоматически, путем оперативного анализа возможных результатов компрессии.
Самым трудоемким при реализации алгоритма компенсации движения является согласование блоков, т.е. нахождение блоков в разных кадрах, наилучшим образом соответствующих условию (5.7). Для этого текущий блок сравнивается со всеми блоками предыдущего кадра в пределах некоторой области поиска: ±128 шагов (пикселей) при точности определения вектора движения в один пиксель или ±64 шага при точности 1/2 пикселя.
Стандарт не ограничивает методы согласования, но наиболее точным принято считать так называемый полный поиск (full search), который сводится к расчету ошибки предсказания для всех возможных векторов и определению положения (т.е. нахождения Дт и Д?/) блока с минимальной ошибкой (например, по среднеквадратическому отклонению для всех отсчетов блока). Существуют и другие методы, отличающиеся большей скоростью определения векторов движения, но несколько меньшей точностью. К ним, в частности, относятся логарифмический и телескопический методы [16, 17].
На рис. 5.15 приведена структурная схема эффективного кодирования, в котором сочетаются методы внутрикадровой и межкадровой компрессии с компенсацией движения. Эта схема в значительной степени упрощена, отражая последовательность выполнения только самых основных преобразований. От структурной схемы обычной ДИКМ она отличается, во-первых, наличием устройства, производящего оценку движения и определяющего вектора движения подвижных фрагментов. Во-вторых, предсказатель в этой системе — не просто память для хранения предшествующих кадров, как это было в обычной ДИКМ рис. 5.13. Это — устройство, которое при формировании предсказания отыскивает из всего массива данных, находящихся в его памяти, блок, согласованный с блоком текущего кадра. Для этого в предсказатель заводятся данные о векторах движения. Последние, как уже отмечалось, подвергаются энтропийному кодированию и мультиплексируются в общий цифровой поток <• коэффициентами ДКП.
108
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
з)
б)
Рис. 5.15. Структурная схема эффективного кодирования на основе ДИКМ с компенсацией движения:
а — кодер; 6 — декодер
Кроме того, в устройствах компрессии, предназначенных для работы в системах распределения сигналов телевизионного вещания, требуется включение буферной памяти. Ее необходимость объясняется следующими обстоятельствами. В зависимости от детальности движения и характера передаваемого движения в существенной степени может меняться скорость цифрового потока на выходе блока кодирования с переменной длиной. При возрастании в изображении уровня высокочастотных компонентов, при быстро меняющихся сюжетах скорость потока данных на выходе компрессора возрастает. Это возрастание может приводить к превышению возможностей капала передачи по его пропускной способности. Ограничение скорости кодированного цифрового потока осуществляется реализацией обратной связи, в которую включена буферная память и квантователь.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
109
В буферную память записываются цифровые данные с переменной в зависимости от сюжета скоростью. Считывание из нее производится с фиксированной скоростью, согласованной с пропускной способностью канала. При возможном переполнении буфера квантователь с помощью обратной связи переводится в режим квантования с меньшим числом уровней (меняется матрица квантования). Как следствие, уменьшаются по амплитуде квантованные значения отсчетов, возрастает число их нулевых значений, и скорость цифрового потока после энтропийного кодирования уменьшается. В результате благодаря действию обратной связи степень заполнения буферной памяти в среднем поддерживается постоянной. Конечно, изменение масштаба квантования в зависимости от содержания изображения отражается на качестве воспроизводимого изображения. В частности, изменяется уровень шумов квантования.
5.2.6* Типы изображений
При межкадровом кодировании, основанном на временной избыточности, возможны различные способы предсказания. В зависимости от этого изображения в своей временной последовательности подразделяются на следующие типы:
•	I (intra) — изображения, играющие роль опорных при восстановлении других изображений. Предсказание для них не формируется;
•	Р (predicted) — изображения, кодируемые с предсказанием на основе предыдущего I или Р изображения;
•	В (bidirectionaly predicted) — изображения, кодируемые путем двунаправленного предсказания на основе предыдущего и последующего изображений типа I или Р.
Изображения объединяются в группы (GOP — Group of Pictures), представляющие собой повторяемые серии из последовательности изображений. Типичной является группа, содержащая двенадцать изображений (рис. 5.16). Буквами на рисунке обозначается их тип, а цифрами 0, 1, 2,... — порядок поступления этих изображений на вход компрессора: (/0, Bi, В2, Рз> В4, В5, Р^ В7, В8, Р9, Вщ, Ви), (/12, В1з, Ви,...), .... Порядок их обработки и передачи несколько отличается: 10, Рз, Вь В2, Ре, В4, В5. Р9, В7, В8,/12, В10, Вц, Р15,- • •
Начинается группа с изображения типа 1, которое кодируется независимо от других и подвергается только внутрикадровой компрессии. Это изображение станет опорным для всех остальных одиннадцати изображений. Затем кодируется и передается кадр Р3. Он подвергается процедуре ДИКМ с компенсацией движения и предсказанием на основе первого кадра Iq. Очевидно, что глубина компрессии этого изображения больше, поскольку здесь сокращена и пространственная, и временная избыточность. Затем кодируются кадры /б н /?2 путем двунаправленного предсказания в виде полусуммы смещенных фрагментов в кадрах Д 11 В3. Именно потому, что при
110
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
GOP
Рис. 5.16. Группа из двенадцати изображений: I — изображения с внутрикадровым кодированием; Р — изображения с предсказанием по предыдущему / или Р изображению; В — изображения с предсказанием по предыдущему и последующему I или Р изображениям
их декодировании па приемном конце системы потребуются кадры Iq и Рз, изменен порядок их передачи: кадры 1д и Рз передаются раньше, чем В у и В}.
Изображения типа В компрессированы наиболее глубоко. Если Р кадры требуют для своей передачи в три раза меньше битов, чем I кадры, то в В изображениях число битов для большинства сюжетов в 2-5 раз меньше, чем в Р. Как следствие, страдает помехоустойчивость В кадров. Поэтому для защиты от возможных ошибок изображения В не используются для предсказания никаких других изображений.
Дальнейший порядок кодирования и передачи изображений в группе аналогичен описанному выше: Pq предсказывается на основе Рз; Рд — на основе Ре; В4, В$ — на основе Р3 и Р6; В7 и В8 — на основе Pq и Рд и т.д.
В заключение следует отметить, что к какому бы типу не относились изображения, передаваемые с предсказанием, внутри них могут находиться фрагменты, которые целесообразно кодировать по другому типу: например, в изображениях Р или В типа могут быть макроблоки I типа. Решение о способе предсказания принимаются кодером в зависимости от содержания изображения, влияющего на степень «экономии» в передаче данных различными способами. Если эта «экономия» оказывается незначительной, то предпочтение отдается более точному кодированию по алгоритму обработки I изображения [17, 18].
5.3.	Цифровая фильтрация телевизионного сигнала
Одной из важных особенностей цифрового сигнала является возможность различных преобразований над ним, что позволяет во многих случаях улучшить качество изображения, обогатить технологию ТВ вещания, сделать более надежным и простым в эксплуатации оборудование. Конечно, и в аналоговом телевидении, как будет видно из дальнейших разделов, осуществляется разнообразная обработка
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
111
Рис. 5.17. Структурная схема устройства цифровом обработки ТВ сигнала
сигнала. Однако цифровые методы во многих случаях имеют преимущества в точности, простоте алгоритма преобразования, в компактности оборудования.
Рассмотрим обобщенную структурную схему устройства обработки ТВ сигнала (рис. 5.17). В АЦП производятся известные операции дискретизации, квантования и кодирования. Скорость цифрового потока ИКМ сигнала может быть весьма значительна, и для того, чтобы процессор, осуществляющий обработку сигнала, позволял работать в реальном масштабе времени, этот поток обычно распределяют на несколько параллельных каналов. В каждом из них тактовая частота ниже тактовой частоты преобразованного в АЦП сигнала в соответствии с числом каналов. Операция распараллеливания цифрового потока выполняется в демультиплексоре ДМ. Процессор состоит из запоминающего устройства ЗУ, арифметического устройства АУ и устройства управления УУ, согласующего работу составных частей процессора. Арифметическое устройство, управляясь по заданной программе УУ, реализует совместно с ЗУ заданный алгоритм обработки, другими словами, выполняет цифровую фильтрацию сигнала. Совокупность ЗУ и УУ обеспечивает требуемые временные преобразования сигнала. Эти преобразования связаны с требованием согласования во времени поступающего входного сигнала с процессом обработки, с необходимостью устранения временных искажений во входном сигнале, с разнообразными задачами, возникающими при создании спецэффектов, синхронизации источников сигнала и пр. Сигналы, снимаемые с параллельных каналов процессора, объединяются в один цифровой поток в мультиплексоре М. При необходимости обратного преобразования цифрового сигнала в аналоговый после мультиплексора включают цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Как таковая, цифровая фильтрация осуществляется в устройстве, объединяющем в себе функции памяти отдельных отсчетов сигнала и логических элементов, в которых выполняются арифметические операции над этими отсчетами. Эту совокупность устройств называют цифровыми фильтрами. Сама же фильтрация сводится к преобразованию последовательности отсчетов входного сигнала ./•о, Ji,	г'7?г в последовательность отсчетов выходного сигнала //о,	У>>- , Ут в соответствии с выбранным алгоритмом пре-
образования.
112
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
з)
б)
Рис. 5.18. Цифровые фильтры: а — нерекурсивный; б— рекурсивный
От аналоговой фильтрации цифровая фильтрация сигнала отличается лишь способом физической реализации. К достоинствам цифровой фильтрации относятся: высокая временная и температурная стабильность характеристик, простота перестройки фильтра изменением частоты дискретизации, возможность повторения фильтра с идентичными параметрами. Однако не во всех случаях техническая реализация цифровых фильтров проще аналоговых: кроме того, цифровая фильтрация может сопровождаться проявлением в изображении шумов квантования.
Различают рекурсивные (с обратной связью) и нерекурсивные (без обратной связи) цифровые фильтры. При нерекурсивной фильтрации (рис. 5.18,с) выходной сигнал в любой момент определяется как сумма взвешенных предшествующих значений входного сигнала х^
I — 1 7 Я j - 2 г • • •
?/7 = 0>оХг + a^Xi-i + Cl2Xi-2 + ... + атТ1-.пг, где со, uj, ат — коэффициенты передачи.
Более сложную структуру имеет рекурсивный фильтр (рис. 5.18,6). Б нем выходной сигнал является функцией предшествующих значений как входного, так и выходного сигнала:
У> —	— 1 + ... + amXj-m + biyi-i + l)2y i-2 + ••• + bnyi-m.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
113
Символ г-1 обозначает оператор задержки сигнала на один период дискретизации.
Процесс фильтрации сводится к операциям умножения и сложения. выполняемым с задержанными отсчетами сигнала с помощью АУ и ЗУ. По заданной программе арифметическое устройство умножает отсчеты сигнала па весовые коэффициенты и суммирует их. Запоминающее устройство используется для хранения отсчетов сигналов, весовых коэффициентов, интервалов временного сдвига, а также команд программы обработки, управляющих АУ и ЗУ.
Цифровая фильтрация во многих случаях помогает улучшить исходные параметры искаженного ТВ изображения, избирательно подавляет шумовые составляющие в сигнале, эффективно корректирует апертурные искажения. Примеры использования цифровой фильтрации для улучшения качества ТВ изображения даются в соответствующих разделах учебника.
5.4.	Временные преобразования цифровых сигналов
Временными преобразованиями называют такие преобразования над сигналом, при которых меняется положение па оси времени дискретных отсчетов этого сигнала при сохранении их амплитудных значений. Наряду с цифровой фильтрацией временные преобразования имеют значительное распространение в вещательном телевидении. Так, широкое применение временные преобразования получили при коррекции временных искажений, возникающих в процессе воспроизведения изображений в видеомагнитофонах. На основе временных преобразований строятся современные синхронизаторы источников сигналов, цифровые преобразователи телевизионных стандартов, устройства видеоэффектов, системы с компонентной передачей или записью сигналов цветного телевидения и др. Все эти вопросы рассматриваются в соответствующих разделах учебника. Здесь же целесообразно отметить только характерные особенности тех или иных преобразований.
Временные преобразования цифрового сигнала реализуются в устройстве цифровой обработки сигнала путем записи этого сигнала в ЗУ и выборкой отдельных его значений из ЗУ в соответствии с заданным алгоритмом преобразования. В результате сигнал будет перенесен в необходимую временную область. При этом возможно временные преобразования классифицировать на два вида: без изменения частотного спектра или небольшим его изменением и с заметным влиянием на спектр [19].
К первому виду’ можно отнести корректоры временных искажении и телевизионные синхронизаторы источников сигнала. В этих устройствах время записи и время считывания строк изображения
114
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
не отличаются или отличаются очень мало. Во втором виде преобразований (характерном для систем с временным уплотнением сигналов яркости и цветности, для устройств видеоэффектов, в какой-то степени для преобразователей стандартов) эти интервалы времени могут значительно отличаться, что и приводит к изменению частотного спектра.
Принципиально временные преобразования отличаются друг от друга алгоритмом обращения к запоминающему устройству, который в свою очередь определяется задачей преобразования. Алгоритм преобразования обусловливает емкость запоминающего устройства. Структура и объем ЗУ значительно усложняются при несинхронных процессах записи и считывания.
В цифровых устройствах временного преобразования применяют цифровые ЗУ двух типов — с последовательным и произвольным доступом. При использовании ЗУ с последовательным доступом запись и считывание происходят последовательно и отсутствует возможность изменения порядка записи и считывания информации. Для разделения процессов записи и считывания приходится в таких устройствах увеличивать емкость ЗУ в 2-3 раза по отношению к информационному объему преобразуемого фрагмента сигнала. Запоминающие устройства с произвольным доступом позволяют обходиться меньшей емкостью, поскольку в них реализуется считывание записанной в них информации по любому заданному адресу. Примером такого ЗУ может служить запоминающее устройство в телевизионном синхронизаторе (см. гл. 9), в котором процессы записи и считывания разделяются во времени путем регулируемой задержки входного преобразуемого сигнала в зависимости от моментов считывания выходного сигнала.
При временных преобразованиях с изменением спектра сигнала процедура преобразования состоит в изменении параметров дискретизации исходного сигнала, т.е. в изменении числа дискретных значений, которыми представляется данный сигнал. Например, при реализации видеоэффектов, связанных с изменением масштаба изображения, исходный дискретный сигнал должен быть преобразован в выходной с другим шагом дискретизации.
Интервалы дискретизации во входном и выходном сигналах изменяют в зависимости от изменения масштаба изображения. При отсутствии отсчетов входного сигнала в точках расположения отсчетов выходного сигнала их или заменяют ближайшими входными отсчетами (если ошибка незаметна), или подвергают входной сигнал цифровой фильтрации, восстанавливающей его значения в точках вторичной дискретизации (например, выполнением интерполяции соседних элементов входного сигнала).
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СВЕТ-СИГНАЛ И СИГНАЛ-СВЕТ
Глава 6
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
СВЕТ-СИГНАЛ
6.1.	Датчики телевизионных сигналов и их характеристики
Преобразователи оптических изображений в электрические 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 £, но и координат гс, у в горизонтальном и вертикальном направлениях. Поэтому датчик ТВ сигнала должен обладать способностью преобразовывать значения яркостей отдельных элементов изображения в электрический заряд. 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 оптико-механических систем развертки, систем бегущего луча, в которых развертка осуществляется бегущим световым лучом, электронно-лучевых трубок и твердотельных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). 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
116
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
от внешнего источника света. В современной телевизионной технике оптические изображения преобразуются в ТВ сигналы с помощью электронно-лучевых передающих трубок и твердотельных 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 сиг-нал/шум. В инженерной практике чувствительность фотоэлектрических преобразователей оценивают по минимальной освещенности фоточувствительной поверхности (в люксах).
Разрешающая способность фотоэлектрического преобразователя характеризует свойство генерировать ТВ сигнал от мелких деталей изображения. О разрешающей способности можно судить по 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 гс — f(E). Она позволяет судить об интервале освещенности, в котором способен работать данный фотопреобразователь.
Спектральная характеристика преобразователя зс = /(А) — зависимость ТВ сигнала от длины волны воздействующего на фото-чувствительную 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. Инерционность оценивается значением остаточного сигнала относительно его максимального значения в ироцентах 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
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал
117
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).
В телевизионных передающих камерах вещательного назначения преобразование свет-сигнал осуществляется электронно-лучевыми трубками видиконного типа либо их твердотельными аналогами — матрицами ПЗС, позволяющими существенно сократить габариты и массу телевизионной камеры.
6.2.	Видикон
Общие сведения. Идея создания передающей трубки с 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 фото-чувствительные слои, изменяющие электрическую проводимость под действием падающего светового потока. Это изменение проводимости происходит в результате увеличения энергии отдельных электронов вещества за счет поглощения энергии излучения и нарушения связи этих электронов с ядром своего атома. При этом электроны не 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, характеризующееся 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 г, обусловленный внешним
118
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
фотоэффектом, связан с освещенностью Е:
i = кЕ'3,
где к— коэффициент пропорциональности: /3 — величина, зависящая от химического состава и конструкции фотопроводника, ее значение обычно лежит в пределах 0,5...1.
Фототок при внутреннем фотоэффекте зависит от спектрального состава воздействующего излучения. Энергия светового излучения hv 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 hv 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. 6.1,а) 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 стеклянной пластины (планшайбы). Прозрачность сигнальной пластины превышает 90 %. Поверхностное 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 чувствительность, спектральную характеристику и инерционность видикона. Поэтому выбор материала полупроводника зависит от тех характеристик, которыми должен обладать конкретный тип видикона, т.е. от назначения цередающей трубки.
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 6 в 1,5-2 раза превышает напряжение' второго анода, что обеспечивает подход электронов ко всей поверхности фотомишени под прямым углом. Это позволяет иметь равномерную фокусировку луча и одинаковый исходный потенциал на
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал
119
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 его эквивалентной схемы (рис. 6.1,6). 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 R3 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 (порядка 1012 Ом-см). При максимальном освещении сопротивление мишени уменьшается примерно в 100 раз.
При «развертке» фотомишени коммутирующим (считывающим) лучом ее поверхность приобретает потенциал, определяемый 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 Ucn. При проекции на мишень оптического изображения сопротивления R? шунтирующие элементарные конденсаторы Сэ изменяются, так как R3 = где Еэ — освещенность элементарного участка. При этом наиболее освещенным элементам мишени соответствует наименьшее сопротивление и, наобо
120
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
рот, темным участкам мишени — наибольшее сопротивление. В период между двумя коммутациями (длительность кадра) конденсаторы Сэ разряжаются через резистор R3 с постоянной времени тр = C3R3. Чем сильнее освещен участок мишени, тем меньше 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 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 RH и Сэ в направлении, указанном стрелкой (см. рис. 6.1,6), и является током сигнала. Освещенным, слабо освещенным и неосвещенным участкам мишени будут соответствовать разные токи дозаряда, которые, протекая через RH, 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. 6.2. Здесь S(A) — спектральная чувствительность трубки, определяемая как отношение тока сигнала гс(А) к его максимальному значению гс(А)тах.
Световая характеристика видикона определяется зависимостью фотопроводимости мишени от ее освещенности: R — f(E) и зарядом элементарного конденсатора Сэ. Заряд при прочих равных условиях зависит от напряжения на сигнальной пластине Ucn, в связи с чем световые характеристики видикона обычно приводят для различных значений Ucn (рис. 6.3). Приведенные на рис. 6.3 характеристики соответствуют максимальной чувствительности (при {7СП1), средней чувствительности (НСП2) и минимальной чувствительности, обычно используемой в телекинопроекции (Пспз)- Из рисунка следует, что зависимость ic = f(E) для. трубки видикон нелинейна, причем нелинейность различна для различных напряжений на сигнальной пластине. В приведенном примере у изменяется в пределах 0,6...0,8.
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет—сигнал
121
Рис. 6.2. Спектральные характеристики видиконов:
1 — ЛИ-421; 2 — ЛИ-418; 3 — ЛИ-426
Рис. 6.3. Световые характеристики видикона ЛИ -415 при различных напряжениях на сигнальной пластине (t/Cni > Ucn2 > Ucn3)
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 соответствует уровню черного. Действительно, от неосвещенных участков мишени (при темновом сопротивлении элемента 7^.T = оо) луч возвращается обратно и в цепи сигнальной пластины ток отсутствует. То же происходит, когда электронный луч заперт гасящим импульсом. Практически Яэ.т оо, 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 сигнала, который, протекая по нагрузке RH (см. рис. 6.1,6), понижает потенциал точки Л, с которой снимается сигнал изображения. Значит, увеличению освещенности соответствует уменьшение потенциала точки А, т.е. полярность сигнала отрицательна.
Разрешающая способность видикона характеризуется его апертурной характеристикой, которая определяется структурой, размерами и конечным значением поверхностной проводимости фотомише-ни, а также сечением коммутирующего (считывающего) луча. При <•< г via и и и трубки основная задача состояла в получении наименьше-
122
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 6.4. Апертурная характеристика видикона ЛИ-421
го диаметра сечения луча с требуемой плотностью тока. Так, при размере рабочего участка мишени 9,5x12,5 мм диаметр сечения луча не должен превышать 15 мкм при токе луча 0,5 мкА. Сложность технической реализации этих требований заставила разработчиков на определенном 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. 6.4), 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 желательно также для уменьшения инерционности трубки. Инерционность видикона является его недостатком, который проявляется при передаче движущихся объектов в виде тянущегося за ним следа, размазывания контуров, потери четкости и снижения контраста. Обычно инерционность оценивается отношением (в 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 фото-ми шени не успевает выравниваться за один цикл развертки. Уменьшить коммутационную составляющую можно только уменьшением емкости С3 элементарного конденсатора, так как увеличение тока луча приводит к ухудшению разрешающей способности трубки вслед
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал
123
ствие увеличения диаметра сечения считывающего пучка. 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 широко применяются 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.
6.3.	Плюмбикон1
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 т = C^R? и для сильно освещенных участков изображения, соответствующих малым сопротивлениям Яэ, постоянная времени разряда может оказаться меньше длительности кадра, что приведет к неполному использованию эффекта накопления. Следовательно, уменьшение емкости участка мишени должно сопровождаться одновременным увеличением сопротивления R3. 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 фо-
1 Плюмбикон — название трубки с фотодиодной мишенью из окиси свинца (фирмы «Филлипс», Нидерланды). Название аналогичной трубки, выпускаемой в России, — глетикон.
124
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 6.5. Плюмбикон:
а — устройство мишени; б — эквивалентная схема мишени
тоэлектрической составляющей инерционности. Упомянутые условия выполняются при замене фоторезистивной мишени мишенью фотодиодного типа, имеющей электронно-дырочный p-i-n-переход. 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. 6.5,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 0,1x3,0x0,05 мкм и ориентированы параллельно направлению световых лучей. Такая структура мишени позволяет существенно снизить концентрацию ловушек, чем увеличивает скорость дрейфа и уменьшает вероятность рекомбинации носителей тока. Благодаря этому, а также высокой напряженности поля в слое i все носители тока проходят сквозь него не рекомбинируя. Следовательно, структура слоя ? 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 составляю-
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал
125
Рис. 6.6. Световая характеристика плюмбикона с дополнительным считыванием пересвеченных мест изображения
Рис. 6.7. Спектральная характеристика чувствительности плюмбикона
щей инерционности, во-вторых, к более полному поглощению падающего на мишень света, что повышает чувствительность мишени.
Эквивалентная схема элементарного участка мишени плюмбикона представлена на рис. 6.5,6 Опа отличается от схемы на рис. 6.1,6 включением фотодиода p-i-n 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 Лэ.т. В момент коммутации p-i-n переход смещается в обратном направлении, что дополнительно увеличивает Лэ.т.
Повышенное 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. 6.5, а) толщиной около 6 мм, закрепленным на входном окне 2 с помощью оптической склейки.
Световая характеристика плюмбикона линейна (рис. 6.6) в широком диапазоне освещенности (штриховая линия). Показатель нелинейности у 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
126
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
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. 6.7. Кривая 1 характеризует спектральную чувствительность трубки с нелигированной мишенью. Спад характеристик в длинноволновой части видимого спектра затрудняет использование трубки с такой мишенью в «красном» канале многотрубочной камеры цветного телевидения. Легирование окиси свинца серой способствует смещению спектральной характеристики в длинноволновую область (кривая 2). При этом мишень приобретает чувствительность и к не-воспринимаемому глазом излучению ближней инфракрасной области спектра. Для подавления излучения с длиной волны свыше 720 нм на противоореольный диск трубки нанесен интерференционный светофильтр с полосой пропускания в области 400...720 нм. Кривая 3 соответствует спектральной чувствительности такой трубки.
Линейная световая характеристика плюмбикона (см. рис. 6.6) приводит к тому, что при освещенности мишени, превышающей 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. 6.6, 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.
6.4.	Твердотельные фотоэлектрические преобразователи изображения
Микроминиатюризация ТВ передающей аппаратуры тормозилась использованием в ней в качестве преобразователя свет — сигнал электровакуумного прибора, обладающего достаточно большими 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 твер
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал
127
дотельной технологии, технологии тонкопленочных покрытий позволило разработать твердотельные матричные фотоэлектрические преобразователи ФЭП изображения, состоящие из массива фоточувствительных элементов, расположенных в местах пересечения проводящих шин. В качестве фоточувствительных элементов такой матрицы могут быть использованы фотосопротивления, фотодиоды, фототранзисторы с коммутацией фоточувствительных элементов в направлении координат X и Y тонкопленочными сдвиговыми регистрами.
Фотогенерированные заряды в такой матрице собираются на общую шину, емкость которой пропорциональна числу фоточувствительных элементов. Эта емкость, являясь одной из составляющих входной емкости предварительного усиления камеры, ограничивает достижимое отношение сигнал/шум на его выходе [23]. Следовательно, увеличение разрешающей способности такой матрицы приводит к ухудшению отношения сигнал/шум, т.е. существовала альтернатива: высокая разрешающая способность — малое отношение сигнал/шум и наоборот. Кроме того, изображение, получаемое с таких матриц, страдало наличием фиксированного геометрического шума в виде большого количества вертикальных полос, устранение которого являлось достаточно сложной задачей. Перечисленные недостатки фоточувствительных матриц с координатной адресацией не позволили создать на их основе ФЭП с числом элементов разложения более чем 256x256, а изобретение к этому времени прибора с зарядовой связью (ПЗС) открыло новое направление работ по созданию твердотельных ФЭП с числом элементов разложения, соответствующим стандарту телевизионного вещания.
В основе прибора с зарядовой связью ПЗС лежат свойства структуры металл-окисел-полупроводник (МОП-структура), способной собирать, накапливать и хранить зарядовые пакеты неосновных носителей в локализованных потенциальных ямах, образующихся у поверхности полупроводника под действием электрического поля. Зарядовые пакеты возникают под действием светового излучения, а переносятся они путем управляемого перемещения потенциальных ям в требуемом направлении. Таким образом, ПЗС работает как аналоговый сдвиговый регистр, обладающий способностью собирать, накапливать и хранить зарядовую информацию. Основным 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 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.
128
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Неосновные носители Основные носители
Рис. 6.8. Конденсатор МОП-структуры
Объясним принцип работы прибора с зарядовой связью. Основным элементом ПЗС является конденсатор МОП-структуры, одна из обкладок которого — металлический электрод, вторая — полупроводниковая подложка (р- или n-проводимости). Диэлектриком является окисел беспримесного полупроводника, наносимый в виде тонкого слоя на подложку. В изображенном на рис. 6.8 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 оки-слом, 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 электрон-дырка, которые под действием электрического поля разделяются: основные носители «отгоняются» в толщину, а неосновные — накапливаются, заполняя постепенно потенциальную яму. Накопление в потенциальных ямах термогенери-рованных 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 время хранения зарядовой информации /хршах, а следовательно, и минимальная частота работы цифровых
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет—сигнал
129
Рис. 6.9. Перенос зарядовых пакетов путем перемещения потенциалов электродов двух рядом расположенных МОП-конденсаторов
+1^ + t/2
+ L6
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 процессы, 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 перекрываются и потенциальные ямы соединяются. При этом подвижный заряд неосновных носителей будет накапливаться в том месте, где глубже потенциальная яма (рис. 6.9). На металлические электроды расположенных рядом двух конденсаторов поданы положительные потенциалы £71 и В начальный момент потенциал U\ > П2. В образовавшуюся глубокую потенциальную яму левого конденсатора может быть помещена зарядовая информация (рис. 6.9,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. 6.9,6). Следовательно, изменяя определенным обра^ зом потенциалы на электродах близко расположенных конденсаторов, можно направленно перемещать накопленный зарядовый пакет.
Динамику перемещения зарядовых пакетов можно проследить на примере трехфазного сдвигового регистра — устройства, состоящего из цепочки МОП-конденсаторов. Сдвиговым регистром управляют по трехтактной схеме. Каждый электрод прибора подключен к одной из трех тактовых шин с фазами Ф1? Ф2, Фз, как показано на рис. 6.10. Один элемент сдвигового регистра состоит из трех ячеек МОП-конденсаторов. В течение первого такта работы (момент ii) на электроды фазы Ф1 подано положительное напряжение U^. Под этими электродами образуются потенциальные ямы, в которых могут накапливаться и храниться заряды, образованные неосновными носителями. 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 'го к а. сигнала изображения.) Время хранения зарядов £хр равно
9
130
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
U2 U2. U1 и? U3 Ui и2
и2 Ui U2 Ui 171
Рис. 6.10. Перемещение зарядовых пакетов в трехфазном сдвиговом регистре: а — трехфазный регистр; 6— идеальная тактовая диаграмма; в— реальная форма управляющих импульсов
времени действия напряжения U2, а режим работы ячейки под электродами фазы Ф1 в это время называется режимом хранения. В момент ^2 (второй такт) на электроды фазы Ф2 подается напряжение (7з, 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 Фр Режим, при котором электроны перетекают из одних потенциальных ям в другие, называется режимом записи. В момент (третий такт) напряжение на электродах фазы уменьшится до значения соответствующего режиму хранения, а напряжение на электродах фазы Ф1 уменьшится от значения U2 до t/р что предотвращает возврат зарядового пакета под электроды фазы Фр Из рис. 6.10,а видно, что перенос зарядовых пакетов произойдет слева направо, так как под электродами фазы Ф1 потенциал остается низким, равным U}. Такой направленный перенос зарядовых пакетов является одним из достоинств трехтактных регистров. В регистрах, работающих по двухтактной схеме, направленный перенос зарядов приходится обеспечивать усложнением структуры ПЗС.
Последовательность смены потенциалов на тактовых группах показана на тактовой диаграмме (рис. 6.10,6), на которой форма упра
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал
131
вляющих напряжений для трехтактной схемы идеальна. Однако для повышения эффективности переноса зарядов тактовые импульсы, подаваемые на электрод, должны перекрываться и иметь пологий фронт, что задерживает уменьшение глубины (схлопывания) потенциальной ямы. Поэтому практически для управления используют импульсы трапецеидальной формы (рис. 6.10,в). При этом остатки заряда (последние 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 перемещение 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, в котором осуществляется электронное сканирование по координатам х и у. При проектировании такой двухкоординатной матрицы решается вопрос организации ее считывания.
Для наиболее полного использования достоинств ПЗС зарядовые пакеты должны перемещаться к одному выходному устройству, а порядок считывания информации — обычно соответствовать принятому телевизионному стандарту. При выборе способа организации считывания необходимо обеспечить минимальное смазывание изображения, возникающее при переносе накопленных зарядовых пакетов через освещенные области прибора. Поэтому в современных матричных ФЭП на ПЗС области накопления заряда и его переноса разделяют.
По способу организации считывающие матрицы ПЗС делятся на матрицы с кадровым переносом заряда (КП), матрицы со строчным переносом заряда (СП) и матрицы со строчно-кадровым переносом заряда (СКП).
Матрицы ПЗС КП (рис. 6.11) включают в себя секцию накопления фотоприемную секцию, секцию хранения или памяти, которая защищена от света и равна по площади секции накопления, и один или несколько параллельных выходных сдвиговых регистров.
Во время активной части поля происходит накопление зарядовых пакетов в фотоприемной секции. Во время кадрового гасящего
132
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
регистр
Рис. 6.11. Способ организации покадрового считывания
импульса, накопленные заряды всех строк поля последовательно переносятся в защищенную от света секцию хранения. Далее во время накопления в фотоприемной секции следующего кадра информация из секции хранения построчно передается в секцию переноса заряда — сдвиговый регистр. Сдвиг строк в секцию переноса осуществляется во время обратного хода горизонтальной развертки. Затем зарядовые пакеты 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 уменьшение эффекта смазывания изображения, так как зарядовая информация считывается из защищенной от света секции хранения и дополнительной засветки при сканировании не происходит. При покадровой организации легко осуществляется чересстрочное разложение изображения, также проста 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.
Матрица с покадровым переносом позволяет легко реализовать чересстрочное разложение изображения. Для этого в течение длительностей нечетных полей накопление производится под электродами Ф1, 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 выход зарядов строки из регистра в выходное устройство — во время прямого хода строчной развертки.
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал
133
Таким образом, в матрице с покадровым считыванием перенос зарядовых пакетов к выходному устройству осуществляется в три приема: 1) перенос из секции накопления в секцию памяти; 2) перенос из секции памяти в сдвиговый регистр; 3) 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 А/max = 2 х 3z + 2?г, где z — число строк; п — число элементов в строке. В приведенном равенстве первый член учитывает число переносов по кадру, а второй — число переносов вдоль строки.
Следует иметь в виду, что зарядовые пакеты переносятся не 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 е накладывает определенные ограничения на скорость работы ПЗС и полное число переносов, которые можно совершить без существенного разрушения сигнала; е — относительная величина и характеризует часть заряда, отставшую от пакета на один перенос. Умножив е на число переносов в приборе АГ, получим результирующую неэффективность переноса Ne всего прибора.
Недостатком матриц ПЗС КП является неполное устранение смаза изображения, которое проявляется в виде вертикальных тянущихся продолжений за очень яркими деталями. Смаз появляется из-за того, что при переносе накопленных зарядов из фотоприемной секции в секцию памяти свет продолжает попадать в фотоприемную секцию.
Для уменьшения величины смаза изображения были разработаны матрицы со строчным переносом зарядов (рис. 6.12), в которых область накопления образована вертикальными столбцами светочувствительных элементов, между которыми помещены защищенные от света вертикальные сдвиговые регистры. В течение времени кадра в светочувствительных элементах накапливаются зарядовые пакеты. Во время гасящего кадрового импульса они одновременно переносятся в соседние ячейки вертикальных сдвиговых регистров. Во время накопления следующего кадра, зарядовые пакеты из вертикальных регистров одновременно сдвигаются в горизонтальный (выходной) регистр. Сдвиг по вертикальным регистрам на один элемент происходит во время обратного хода строчной развертки, а вывод зарядовых пакетов из горизонтальных регистров в выходное устройство — за время прямого хода строчной развертки. Полное освобождение вертикальных сдвиговых регистров от зарядов происходит за время кадра.
134
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Вертикальные сдвиговые регистры
(выходной) регистр устройство
Рис. 6.12. Матрица со строчным переносом зарядов
Вертикальные сдвиговые регистры
(выходной) регистр устройство
Рис. 6.13. Матрица со строчнокадровым переносом зарядов
Для обеспечения чересстрочной развертки в матрице ПЗС СП заряды из светочувствительных ячеек в вертикальные регистры переносятся: в нечетных полях — из нечетных ячеек, а в четных полях — из четных ячеек.
Величина смаза изображения в матрицах ПЗС СП существенно меньше, чем в ПЗС КП. Однако при наличии на объекте ярко освещенной детали, уровень смаза оказывается заметен. В матрицах ПЗС СП он обусловлен попаданием части наклонно падающего света под алюминиевый экран над вертикальным ПЗС регистром. Это паразитная засветка значительно меньше, чем в матрицах ПЗС КП, но время ее действия существенно больше и равно длительности поля.
В трехматричных камерах вещательного назначения необходимо дальнейшее снижение уровня смаза изображения. Для обеспечения этого требования были разработаны гибридные матрицы ПЗС со строчно-кадровым переносом заряда (СКП). Матрицы ПЗС СКП (рис. 6.13) отличаются от матриц ПЗС СП (см. рис. 6.12) наличием в них дополнительной секции хранения зарядов на длительность поля. Поэтому частота переноса заряда из вертикальных ПЗС регистров в секцию хранения может быть выбрана в десятки раз больше частоты строк, используемой в матрицах ПЗС СП. Это позволяет во столько же раз уменьшить уровень смаза изображения. Недостатки матриц ПЗС СКП заключаются в относительной сложности изготовления и высокой стоимости производства.
Световая характеристика матрицы ПЗС в рабочем диапазоне освещенности линейна (рис. 6.14). Точка 1 соответствует 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 па-
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал
135
Рис. 6.14. Световая характеристика матрицы ПЗС
Рис. 6.15. Спектральная характеристика матрицы ПЗС
раметрами матрицы и потенциалом накопления, значение которого ограничено напряжением пробоя МОП-конденсатора.
Спектральная чувствительность матричного формирователя (рис. 6.15) имеет подъем в длинноволновой области спектра и спад в области длин волн 0,4...0,5 мкм (кривая 7), который обусловлен сильным поглощением на этом участке спектра нанесенными на полупроводниковую подложку поликремниевыми электродами. Для повышения чувствительности в этой области спектра в поликремниевых электродах вскрыты окна. Площадь окоп составляет примерно 15...20 % от площади фоточувствительной поверхности элемента. Это подняло чувствительность матрицы на длине волны Л = 0,4 мкм до 20 % (кривая 2), что позволило использовать матрицу в цветном телевидении. Разрешающая способность определяется числом элементов накопления в матрице ПЗС. Для систем телевидения высокой четкости разработаны матрицы ПЗС с числом элементов 1035x1920.
Матрицы ПЗС СП широко используются в бытовых одноматрич-пых телевизионных камерах. Камеры вещательного телевидения работают на матрицах ПЗС СКП, обладающих более высокими светотехническими параметрами.
Глава 7
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИГНАЛ-СВЕТ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
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 электронно-лучевые приемные трубки — кинеско
136
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
пы. Они обеспечивают получение ТВ изображения площадью до 0,25...0,5 м2, предназначенного для просмотра небольшим числом зрителей. Увеличение аудитории телезрителей требует увеличения размеров ТВ изображения от единиц до нескольких десятков квадратных метров. Для этого используются проекционные воспроизводящие устройства: высокояркие проекционные кинескопы, лазерные проекторы и светоклапанные системы.
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.
7.1.	Кинескопы черно-белого телевидения
Кинескоп — приемная электронно-лучевая трубка с люминофорным экраном, преобразующая мгновенные значения ТВ сигнала в последовательность световых импульсов, совокупность которых образует ТВ изображение. Развертывающим элементом в кинескопе является сфокусированный электронный луч. Воспроизведение изображения на экране обеспечивается отклонением луча по закону развертки и модуляцией его плотности сигналом изображения.
По назначению различают кинескопы прямого наблюдения, в которых изображение создается непосредственно на экране, и 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, 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 <?, электроннооптическая система 2, формирующая электронный луч, и люминофорный экран. На горловине кинескопа помещается отклоняющая
Рис. 7.1. Кинескоп черно-белого телевидения
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет
137
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 нанесенным на внутреннюю поверхность колбы и горловины. Вывод второго анода 5 сделан через колбу, а остальных электродов — через цоколь 1.
7.2.	Электронный прожектор
Электронным прожектором называется конструктивный узел электронно-лучевого прибора, состоящий из катода и ряда электродов, которые обеспечивают ускорения, фокусировку и управление плотностью электронов 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. 7.1,6) и состоит из подогревателя 7, термокатода 2, модулятора 3, ускоряющего электрода 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 осуществляется в двух зонах: в поле иммерсионного объектива и в поле главной фокусирующей линзы.
Иммерсионный объектив (рис. 7.2) образуют: термокатод 7, модулятор 2 и ускоряющий электрод 3. Благодаря высокой разности потенциалов между катодом и ускоряющим электродом (<7У =
138
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
б)
Рис. 7.2. Фокусировка электронного луча:
а — выход электронов из прожектора; б— двухлинзовая оптическая система
= 500...800 В) и малому расстоянию между этими электродами в зоне иммерсионного объектива создается большая напряженность электрического поля, конфигурация сечения эквипотенциальных поверхностей которого на рис. 7.2,а обозначена штриховыми линиями. Эмитируемые с поверхности катода электроны попадают в поле иммерсионного объектива (рис. 7.2,<z; б) и собираются в плоскости его фокуса в узкий пучок, сечение которого называется кроссовером. Диаметр кроссовера (Кр) 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 кроссовера в плоскость экрана. При этом сечение пучка в плоскости экрана имеет размер кроссовера. Таким образом, использование двухлинзовой оптической схемы (рис. 7.2,6) позволяет сравнительно просто получить в плоскости экрана сечение луча с радиусом не более 0,5 мм при существенно большем радиусе эмитирующей поверхности катода.
7.3.	Экраны кинескопов
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 такой способностью, называются люминофорами (lumen — свет (лат.), phonos — несущий (греч.)).
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет
139
Возбуждение атомов некоторых веществ может быть вызвано электрическим полем или током, при этом возникает 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 (Си), 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 (AgZn) 47 %; CDS (Ag) 53 %. Спектральная характеристика излучения данной смеси имеет два максимума (рис. 7.3, сплошная линия). Первый максимум находится в области излучения, соответствующего ощущению синего цвета, а второй — совпадает с кривой видности глаза (штриховая линия), что увеличивает светоотдачу экрана. Цвет свечения люминофора БМ-5 имеет голубоватый оттенок и соответствует цветовой температуре 9700 К.
Одной из важных характеристик работы экрана кинескопа является его инерционность, определяющая длительности возгорания и послесвечения люминофора. Длительность возгорания люминофора достаточно мала. Основным параметром инерционности люминофора является длительность послесвечения , в течение которой яркость экрана уменьшается до 0,01 максимального значения после прекращения возбуждения люминофора (рис. 7.4, сплошная кривая). Длительность послесвечения является существенным параметром при выборе люминофора для экранов электронно-лучевых приборов различного назначения.
140
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 7.3. Спектральные характеристики люминофора черно-белых кинескопов
Рис. 7.4. Характеристика послесвечения люминофора
Например, для приемных ТВ трубок желательно иметь длительность послесвечения, равную времени передачи одного кадра изображения. Требование это становится очевидным, если вспомнить, что визуальная яркость ТВ экрана определяется по закону Тальбота (см. гл. 22) как
1 fT
•^виз ~ ? J
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.
Если L(t) аппроксимировать треугольной функцией (см. рис. 7.4, штриховая линия), что в первом приближении допустимо, то
ТВиз — 0,5 Ттах + 0,5—-Lmax,
I К	к
т.е. визуальная яркость экрана складывается из двух слагаемых — яркостей элемента при возгорании люминофора и при его затухании. Учитывая, что тъ/Тк — 1/N, где N — число элементов в кадре (для вещательного телевизионного стандарта N = 0,5 • 106), а Тпс/Тк = 1, можем записать £виз = 0,25 • 10“6Lmax 4- 0,5Lmax.
Таким образом, основная доля визуальной яркости определяется послесвечением люминофора, в связи с чем длительность послесвечения для приемных телевизионных трубок Тпс 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 предыдуще
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет
141
го кадра. Установлено, что размытие практически незаметно, если остаточный сигнал не превышает 5 %. Более жесткие требования предъявляются к инерционным свойствам кинескопов, работающих в системе бегущего луча. Люминофоры их экрана должны иметь малую длительность послесвечения, не превышающую время коммутации одного элемента изображения (около 7,7 • 10“8 с). Такое жесткое требование связано с тем, что в системе бегущего луча коммутация элементов изображения осуществляется не электронным, а световым лучом. Телевизионный сигнал на выходе фотоэлектронного усилителя (ФЭУ) определяется яркостью луча в коммутируемой точке, промодулированного по амплитуде в соответствии с коэффициентом отражения или пропускания передаваемого элемента изображения. При Тпс > сигнал на выходе ФЭУ будет определяться не только яркостью пятна передаваемого элемента изображения, но и 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 к, определяемой отношением силы света /, кд, излучаемой экраном, к мощности Р, Вт, электронного луча. Светоотдача зависит от энергии электронов луча, типа люминофора, способов его нанесения и может изменяться от десятых долей канделлы на ватт до 15 кд/Вт.
Сила света, излучаемая экраном кинескопа, определяется эмпирической зависимостью
I = ki„(u2 -	(7.1)
где к — светоотдача; 1Л — ток луча; и2 — напряжение второго анода кинескопа; uq — пороговое напряжение второго анода, при котором происходит возбуждение люминофора.
Для современных люминофорных экранов uq = 1...2 кВ; п — показатель степени, определяемый физическими свойствами люминофоров и условиями его возбуждения. При токе луча 1Л = 100...150 мкА и ускоряющем напряжении 10 кВ п = 1.
Современные кинескопы работают при и2 = 12...18 кВ и более, поэтому напряжение Uq < и2 и им можно пренебречь. Принимая п = 1, с достаточной для практики точностью можно считать, что сила света
I = к1ли2 = кР^	(7.2)
где Рл — мощность электронного луча.
При принятых условиях светоотдача к оказывается постоянной
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
величиной. Поэтому сила света Ц а следовательно, и яркость экрана
L3K = I/S3K = kPJS,K
(S.^K - — 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 повышением ускоряющего напряжения л.2-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, обеспечивая необходимую яркость экрана. Таким образом, экран современного кинескопа представляет собой слой люминофора, нанесенный на дно колбы кинескопа. Люминофор, в свою очередь, покрывают 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 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 стекол колбы, деталей электронного прожектора и соседних участков, расположенных на сферической поверхности. Он также предохраняет люминофор от бомбардировок тяжелыми отрицательными ионами, устраняя необходимость введения в электронный прожектор ионных ловушек.
Существенно снижает контраст мелких и средних деталей изображения явление ореола. Ореол образуется вследствие того, что часть расходящихся световых лучей, пройдя из точки возбуждения люминофора (рис. 7.5, точка А) сквозь толщу стекла экрана трубки, па 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, про-тнвоореол ьным.
Ослабление ореола происходит за счет поглощения части света в толще экрана колбы. Прямой световой луч Д от светящейся
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал-свет
143
Рис. 7.5. Влияние дымчатого стекла на контраст мелких деталей
точки люминофора проходит путь АБ (рис. 7.5), а световой луч вредной подсветки ^2) вызванной явлением ореола, проходит более длинный путь АБВГД и поглощается значительно больше. Использование противоореольного стекла увеличивает контраст мелких деталей примерно в 15 раз.
Промышленностью выпускается большая номенклатура кинескопов с диагональю экрана 6... 71 см. Гостированное условное обозначение электронно-лучевых трубок состоит из четырех элементов, например 61ЛК2Б. Цифра 61 указывает в сантиметрах диагональ экрана; буквы ЛК обозначают лучевой кинескоп; цифра 2 характеризует тип электронного прожектора; буква Б указывает цвет свечения экрана — белый. В обозначении трубки 61ЛКЗЦ буква Ц указывает на то, что кинескоп цветной.
7.4. Кинескопы цветного телевидения
Общие сведения. Для получения цветного изображения в большинстве современных цветных ТВ приемников и видеоконтрольных устройств используется один электровакуумный прибор — цветной кинескоп, в котором цветные изображения формируются из трех цве-тоделенным методом пространственного смешения цветов. В 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 масоч-ными. По способу расположения прожекторов кинескопы делятся на дельта-кинескопы, прожекторы которых, а также люминофорные группы расположены в вершинах равностороннего треугольника, и
144
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 7.6. Кинескоп с компланарной оптикой и щелевой маской:
1 — электронные прожекторы; 2 — щелевая маска; 3 — экран с люминофорным покрытием
на компланарные с расположением прожекторов в одной плоскости и линейчатыми люминофорными группами.
Кинескоп с дельтавидным расположением электронных прожекторов и мозаичным люминофорным экраном имеет существенные недостатки, основным из которых является сложная система совмещения трех растров и малая прозрачность теневой маски, лимитирующей увеличение яркости экрана кинескопа. По этой причине современные телевизионные приемники и мониторы комплектуют кинескопами с компланарным расположением электронных прожекторов и линейчатой структурой люминофорного экрана.
Масочный кинескоп с компланарным расположением прожекторов. Схематическое изображение масочного кинескопа с компланарным расположением электронных прожекторов представлено на рис. 7.6,а. Особенностью его устройства является расположение осей всех трех электронных прожекторов 1 в одной плоскости, причем ось одного прожектора (зеленого) совпадает с осью кинескопа, а оси двух других зеленых прожекторов повернуты к оси кинескопа на угол 1,5°. Экран кинескопа представляет собой сферу из стекла с большим радиусом кривизны, на внутреннюю поверхность которой нанесены чередующиеся по цвету люминофорные полоски трех цветов: красного, зеленого и синего (рис. 7.6,6). Так же как в монохромном кинескопе, люминофоры покрыты тонкой алюминиевой пленкой, соединенной со вторым анодом. Для направления электронных лучей на «свои» люминофорные полоски используется теневая маска (рис. 7.6,в), изготовленная из листовой стали, форма которой практически повторяет форму экрана. В маске вырезаны вертикальные прорези — щели, которые имеют горизонтальные перемычки, увеличивающие ее механическую прочность. •
Принцип попадания электронных лучей на «свои» люминофорные полоски заключается в том, что три электронных, луча, направленные из трех прожекторов, пересекаются в одной точке, геометрическое место которой соответствует отверстию маски, и, проходя сквозь нее, попадают на соответствующие люминофорные полоски. Для осуществления этого принципа взаимное расположение прожек
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет
145
торов, их наклон к оси кинескопа, расстояние от центра отклонения электронных лучей до теневой маски и от теневой маски до экрана должны быть связаны определенными геометрическими отношениями [24]. Точность попадания электронных лучей на свои люминофорные зерна зависит от точности реализации этого соотношения, т.е. от механической точности изготовления кинескопа. Недостаточная точность реализации приводит к нарушению правильности попадания лучей, что вызывает следующие для цветного кинескопа искажения изображений:
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, неправильным положением отклоняющей системы относительно экрана кинескопа, а также под влиянием внешних магнитных полей, в частности магнитного поля Земли. Коррекция нарушений частоты света производится с помощью кольцевых магнитов, расположенных в горловине кинескопа.
2.	Несовмещение изображений от растров, обусловленное попаданием неотклоненных лучей не в одно отверстие теневой маски, а в соседние и в отстоящие друг от друга на некотором расстоянии, которое возникает при неточном изготовлении или сборке электронных прожекторов. Коррекция этого вида искажений, т.е. обеспечение попадания трех неотклоненных электронных лучей в одну группу люминофорных полосок (триад), называется статическим сведением лучей. Она производится с помощью изображения сетчатого поля поворотом вокруг оси кинескопа кольцевых четырехполюсных и шестиполюсных магнитов, помещенных на горловине кинескопа.
3.	Рассовмещение электронных лучей при их отклонении от центра к краю экрана, обусловленное следующими причинами:
•	смещение двух электронных прожекторов (красного и синего) относительно оси кинескопа и их наклон на угол 1,5° приводят к появлению на экране кинескопа смещенных друг относительно друга трапецеидальных растров (рис. 7.6,г);
•	геометрическое место пересечения трех лучей при их отклонении находится на поверхности сферы, радиус кривизны которой определен углом наклона прожекторов и значительно меньше радиуса кривизны экрана; поэтому при отклонении от центра к пе-рифирии экрана электронные лучи будут достигать плоскости маски в виде расходящихся пучков и попадать на люминофорные зерна разных триад [24].
Указанные причины действуют совместно и ведут к нарушению динамического сведения лучей, коррекция которого осуществляется методом самосведения лучей. Принцип самосведения заключается в следующем: в компланарном кинескопе отклонение трех лучей
К)
146
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
в равномерном магнитном поле приводит к расслоению вертикальных линии слева и справа (рис. 7.6,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 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 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 рас-совмещение лучей в любой точке экрана. Таким образом, в компланарных кинескопах динамическое самосведение трех совмещенных в центре экрана лучей обеспечивается автоматическим отклонением их в неравномерном 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 электронно-оптического 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 для получения оптимальных чистоты цвета и сведения лучей. Регулирующим элементом, используемым при настройке комплекса кинескоп — отклоняющая система, является магнитостатическое устройство, включающее в себя магниты чистоты цвета и статического сведения, установленные на горловине кинескопа позади отклоняющей системы. Оптимальное положение регулирующих элементов подбирается и фиксируется на заводе-изготовителе комплекса кинескоп — отклоняющая система и в дальнейшем процессе эксплуатации не регулируется.
Основные преимущества кинескопа с комланарным расположением прожекторов по сравнению с дельта-кинескопом заключается в следующем:
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, полу
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал-свет
147
ченные от крайних лучей (красного и синего), необходимо совмещать с центральным (зеленым) только в горизонтальном направлении.
2.	Повышается яркость свечения экрана кинескопа, так как 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.
7.5. Жидкокристаллические и плазменные экраны
Общие сведения. С момента появления электронного телевидения основным элементом, осуществляющим развертку, был электронный луч, а само изображение воспроизводилось на экране кинескопа. Максимально угол отклонения электронного луча в кинескопе 110°, в связи с чем увеличение размеров изображения приводило к значительному увеличению габаритов воспроизводящего устройства — телевизора или монитора. Поэтому в течение многих лет и в настоящее время идут упорные поиски идей и конструкций, позволяющих наблюдать изображение на плоском экране воспроизводящего устройства, что позволяло найти практическую реализацию воспроизводящим устройствам на жидких кристаллах и плоским плазменным экранам.
Жидкокристаллические воспроизводящие устройства. Жидкокристаллические экраны относятся к разряду так называемых светоклапанных устройств, в которых функции излучения и модуляции светового потока разделены. В этих устройствах ТВ сигнал воздействует на пространственный модулятор света (ПМС), модулирующий световой поток от внешнего источника одновременно по поверхности всего ТВ изображения. В ПМС 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). При этом световой поток, проходящий через ПМС, изменяется по интенсивности в соответствии с распределением плотностей отдельных участков (пикселей ПМС).
К)1
148
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Работа жидкокристаллических экранов основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что поляроиды осуществляют деления изображения путем поляризации световых пучков во взаимно перпендикулярных плоскостях. Поляроид пропускает только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляризатора. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Данный эффект называется поляризацией света. Два скрещенных (ортогональных) поляризатора, помещенные на пути светового потока, полностью непрозрачны для света. Открытие свойств жидких кристаллов изменять угол поляризации под действием электростатического или электромагнитного поля позволили создать электронно-оптический модулятор света, прозрачность которого меняется под действием приложенного напряжения.
Основными элементами модулятора света являются два скрещенных поляризатора и помещенная между ними жидкокристаллическая ячейка, угол поворота плоскости поляризации которой может регулироваться. Прозрачность электронно-оптического модулятора изменяется при изменении угла поворота плоскости поляризации (рис. 7.7). Принцип работы жидкокристаллического экрана поясняет рис. 7.8. Экран состоит из нескольких слоев, основными из которых являются две стеклянные пластины на которых нанесены полосковые электроды 2. Две пластины соединяются, оставляя зазор, который заполняется жидким кристаллом Полосковые решетки пластин скрещены. В точках пересечения полосковых электродов образуются элементарные конденсаторы, напряжение на которых определяет угол поворота поляризации, а следовательно, и прозрачность элементарной ячейки. С внешней стороны стеклянных пластин располагаются поляризационные фильтры 1, 5, векторы поляризации которых ортогональны. При подаче потенциала на некоторую пару полосковых электродов активизируется ячейка, на которой вертикальные и горизонтальные электроды пересекаются. Коммутация потенциалов осуществляется по закону развертки, используемой в телевидении и компьютерах. Схема строчной развертки переключает с тактовой частотой импульсы — отсчеты видеосигнала с одного вертикального электрода на другой. Схема кадровой развертки осуществляет перекоммутацию горизонтальных электродов.
Для воспроизведения цветного изображения ЖК панель покрывают цветными RGB-светофильтрами, размеры и форма которых соответствуют размерам модулирующей ячейки. ЖК экраны плоских телевизоров и мониторов работают на просвет. Поэтому обязательным компонентом ЖК экрана является лампа задней подсветки. Для сокращения габаритов лампа помещается на боковой части экрана, а напротив нее — отражающее зеркало. Необходимым требованием к световому потоку, входящему в ЖК ячейку, является его малая расходимость, так как расходящийся световой поток скрещенными
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет
149
Рис. 7.7. Зависимость интенсивности света на выходе электроннооптического модулятора от угла поворота плоскости поляризации
Скрещенные электроды
\4777777777//7//77/Л\
Я1111Ш11111Ш1Ш11 '777777777777777777Л
Рис. 7.8. Конструкция ЖК электронно-оптического модулятора света:
1 — поляризатор; 2— полосковые электроды; 3 — стеклянные пластины; 4 — жидкий кристалл; 5— поляризатор-анализатор
поляризаторами задерживается не полностью. Появляется эффект просачивания, т.е. фоновая засветка, снижающая контрастность воспроизводимого изображения. Необходимость направленного светового излучения ведет к тому, что изображение на ЖК экране воспринимается с номинальной яркостью в узком угловом интервале (10...15° относительно нормали к экрану). Отклонение от заданных углов наблюдения ведет к существенному уменьшению яркости экрана.
Модуляционная характеристика ЖК ячейки (см. рис. 7.7) существенно нелинейна, что заметно снижает число воспроизводимых градаций яркости. Поэтому видеосигнал перед подачей на ЖК ячейку необходимо подвергнуть нелинейной обработке, корректирующей форму модуляционной характеристики ячейки.
ЖК экраны обладают рядом преимуществ перед кинескопны-ми, среди которых малая толщина экрана, пониженное потребление энергии, малый вес, высокое разрешение — 1024x768 точек, высокая яркость (200...250 кд/м2) и контрастность 300:1, отсутствие геометрических искажений, отсутствие искажения растров и их мелькания. Эти экраны широко используются в компьютерных мониторах, карманных и автомобильных цветных телевизорах, в видоискателях бытовых и профессиональных видеокамер.
Плоские плазменные экраны. Сравнительно небольшие размеры жидкокристаллических экранов и ограниченный угол наблюде
150
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
ния стимулировали разработку плазменных плоских экранов (панелей). Работа плазменной панели основана на свечении люминофоров экрана панели под воздействием ультрафиолетовых лучей, возникающих при электрическом разряде в плазме (разреженном газе). Конструктивный элемент, формирующий отдельную точку изображения — пиксель, включает в себя три субпикселя, излучающих три основных цвета RGB. Каждый субпиксель представляет собой отдельную микрокамеру, заполненную разреженным газом, па стенках которой нанесены люминофоры одного из трех основных цветов. Пиксели расположены в точках пересечения прозрачных разрядных электродов, образующих прямоугольную сетку (матрицу). Кроме разрядных электродов каждый пиксель снабжен третьим — адресным электродом. На разрядные электроды постоянно подается напряжение, достаточное для поддержания разряда, но меньшее, чем напряжение зажигания. На адресный электрод подается импульс, размах которого достаточно велик, чтобы зажечь разряд. Во время разряда возникает мощное ультрафиолетовое излучение, возбуждающее находящийся на стенках ячейки люминофор. При этом электроны атомов люминофора оказываются переведенными на более высокие энергетические уровни внешних орбит. При возвращении с внешних орбит на прежние уровни электроны излучают кванты света в соответствующем данному люминофору красном, зеленом или синем участке видимого спектра излучения. Так происходит преобразование ультрафиолетового излучения в видимую часть спектра.
Коммутационная система плазменной панели с поэлементной тактовой частотой переключает потенциалы на адресные электроды и со строчной частотой — на разрядные электроды. Интенсивность излучения трех люминофоров пикселя определяется длительностью подаваемых на адресные электроды импульсов, поэтому амплитуда сигналов трех основных цветов Ur, Uq, Ur предварительно модулируются методами широтно-импульсной модуляции.
Прогресс в развитии плазменных панелей идет необычайно быстро. Свидетельство тому выпускаемые плазменные телевизоры с размером экрана по диагонали 127 см. Разрешающая способность экрана 1366x768 пиксель. Яркость 400...500 кд/м2. Контраст 3000:1. Число воспроизводимых цветов 16 • 106. Существенным недостатком плазменных телевизоров является высокая потребляемая мощность и масса.
7.6. Проекционные системы
Одним из направлений улучшения качества ТВ изображения является увеличение размеров воспроизводящего экрана. Большой экран позволяет осуществлять коллективный просмотр ТВ передач в домах отдыха, клубах, санаториях или специально созданных театрах. Он широко используется при проведении конференций и пре-
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал-свет
151
Рис. 7.9. Оптическая схема проекционной системы с жидкокристаллическим модулятором света:
1 — источник света; 2— оптический конденсатор; 3 — отражающие зеркала;
4 — дихроические зеркала; 5 — кон-денсорная система; 6— поляризатор;
7— ЖК панель; 8— поляризатор-анализатор; 9—дихроическая призма; 10— проекционный объектив
зентаций, в прикладных ТВ системах, например, для имитации окружающей 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 при наблюдении демонстрируемых событий. Потребность в увеличении экрана, безусловно, возрастет в случае внедрения нового ТВ стандарта с большим числом строк разложения.
В настоящее время для получения ТВ изображения на большом экране широко используется проекционные светоклапанные системы, в которых свет от внешнего источника модулируется пространственным модулятором света (ПМС). В ПМС под действием модулирующего ТВ сигнала меняется прозрачность или коэффициент отражения модулирующей среды. Интенсивность излучения, а следовательно, и яркость экрана таких систем определяются лишь мощностью внешнего источника. В большинстве проекционных светоклапанных систем в качестве ПМС используется жидкокристаллическая ячейка (см. § 7.5).
Оптическая схема проекционной системы с жидкокристаллическими модуляторами света представлена на рис. 7.9. Световой поток, создаваемый высокоэффективной лампой 7, проходит конденсорную систему 2, компенсирующую спад светового потока от центра к периферии. Далее с помощью нормальных 3 и дихроических 4 зеркал световой поток разделяется на три спектральных составляющих R. G и В первичных цветов. Разделенные световые потоки посредством конденсорной системы 5 направляются на соответствующую панель ЖК, каждая из которых представляет собой пакет из двух скрещенных поляризаторов (входного и выходного поляризатора-анализатора Л’) и помещенных между ними ЖК ячеек 7. ЖК панели расположены па минимальном расстоянии от дихроической призмы 9. суммирую
152
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
щей модулированные по интенсивности световые потоки первичных цветов и направляющей их в проекционный объектив 10.
Ячейки ЖК панелей образуют матрицу, степень прозрачности каждого пикселя которой определяется дополнительной поляризацией ЖК ячейки. Величина дополнительной поляризации является функцией приложенного к данному пикселю напряжения.
Использование поляроидной сепарации в оптической ЖК панели приводит к 50 % потери света на входных поляризаторах, пропускающих только полезную Р составляющую линейного поляризованного светового потока и поглощающих (превращающих в тепло) ортогональную S-составляющую. Поэтому в современных высокоэффективных проекторах применяются конверторы поляризации, преобразующие составляющую S светового потока в Р [25].
Появление новых термостойких ЖК панелей, модулирующих при пропускании или отражении световой поток от мощного источника света, обусловило создание компактных видеопроекционных систем. Изображение, получаемое с помощью таких систем, обладает высокой разрешающей способностью — 1280x1024 и более и контрастом 300:1. Яркость изображения зависит от размеров экрана и значения светового потока, излучаемого проектором, который в лучших образцах достигает 2000 лм.
Глава 8
РАЗВЕРТЫВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
8.1. Отклонение электронного луча
Отклоняющая система. Развертка изображений в ТВ устройствах осуществляется отклонением электронного луча по определенному закону. Электронный луч может быть отклонен с помощью как изменяющихся электрического (используются отклоняющие пластины), так и электромагнитного (используются отклоняющие катушки индуктивности) полей. При линейно-строчном законе развертки на отклоняющие пластины подается отклоняющее пилообразное напряжение, а в отклоняющих катушках создается отклоняющий пилообразный ток.
На заре развития электронного телевидения применялись оба способа отклонения электронного луча. Однако по мере увеличения размеров экрана кинескопа и увеличения угла отклонения стала видна непригодность отклонения электронного луча в кинескопе электрическим полем. В этом случае предельный угол отклонения, при
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
153
Рис. 8.1. Отклонение электронного луча в электроннолучевой трубке
Рис. 8.2. Зависимость отклонения луча от отклоняющего тока
котором еще можно считать дефокусировку луча допустимой, составляет не более 30°. Для больших экранов современных телевизоров угол отклонения электронного луча в кинескопах достигает 110° и более. Электромагнитное отклонение электронного луча в кинескопе позволяет получать указанные углы отклонения без существенной дефокусировки электронного луча. При отклонении электрическим полем для размера экрана 67 см длина колбы кинескопа составляет 123 см, а при отклонении электромагнитным полем 24 см, т.е. выигрыш почти 5 раз.
При отклонении электронного луча электрическим нолем необходимо на отклоняющие пластины подавать напряжение, составляющее примерно одну треть от напряжения на главном аноде, которое в современных кинескопах равно 16... 25 кВ. При этом отклоняющее напряжение должно быть 5.. .8 кВ, что достигнуть трудно и нецелесообразно экономически. В связи с чем в кинескопах современных телевизоров используется исключительно электромагнитное отклонение электронного луча. Для электромагнитного отклонения луча на ЭЛТ устанавливается отклоняющая система (рис. 8.2, слева изображено равномерное магнитное поле в сечении отклоняющей системы), создающая магнитное поле, которое отклоняет электронный луч так, чтобы он перемещался по поверхности экрана (мишени) в соответствии с требуемым законом развертки. Закон развертки определяет изменение во времени напряженности отклоняющего поля и тем самым изменение тока, протекающего по катушкам отклоняющей системы и создающего указанное поле. Объясним воздействие магнитного поля на электронный луч.
При отклонении электронного луча равномерным электромагнитным полем траектория движения электронов имеет вид окруж
154
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
ности с радиусом
В = ^у/2тия/е, 11
где Ua — напряжение на втором аноде; т и е — масса и заряд электрона: Н — напряженность магнитного поля.
Перемещение луча в плоскости экрана у = Ltga (рис. 8.2). Из подобия треугольников О АВ и CEF следует, что
/о = Я/р
R y/2{m/e)Ua'
(8.1)
ИЛИ
у — L tg arcsin
Я/о
У2(т/е)г7а’
(8-2)
где L — расстояние от центра отклоняющего поля до экрана; 1$ — длина отклоняющего поля.
Анализ выражения (8.2) показывает, что при линейном перемещении луча напряженность поля должна изменяться во времени по сложному закону. Это особенно важно учитывать при построении развертывающих устройств для кинескопов с углом отклонения больше или равным 90° и плоским экраном.
Рассмотрим характерные геометрические искажения, возникающие на плоском экране при таких углах отклонения. Как видно из рис. 8.2, отклонение луча растет быстрее (см. рис. 8.1, сплошная кривая), чем отклоняющий ток; появляются симметричные геометрические искажения растра, т.е. края растра получаются растянутыми. Чтобы уменьшить эти искажения, необходимо добиваться неравномерности воздействия на луч отклоняющего поля внутри горловины кинескопа, что достигается либо соответствующей динамической коррекцией формы тока отклонения (S-коррекция), либо рациональным размещением витков кадровых катушек (КК) и строчных катушек (СК) (рис. 8.3,а) по сечению.
Связь между напряженностью магнитного поля Н и числом ампер-витков геи, создающих это поле, определяется интегралом Ампера:
(р Н dl = 0,4тггол	(8.3)
Интегрирование ведется по замкнутому контуру I. Для данного случая I — замкнутая силовая линия (рис. 8.3,а), причем число ампервитков определяется произведением тока, протекающего в катушках, на число витков, расположенных внутри контура I. Магнитный сердечник (на рис. 8.3,а не показан) имеет магнитную проницаемость, в сотни раз большую, чем магнитная проницаемость вакуума, поэтому и напряженность магнитного поля в сердечнике оказывается в сотни
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
155
Рис. 8.3. Поперечное сечение отклоняющей катушки:
а — создание отклоняющего магнитного поля; б — упрощенный вид пары седловидных катушек
раз меньшей. Это позволяет при вычислении интеграла (8.3) пренебречь той его частью, которая относится к участку силовой линии, находящейся внутри сердечника. Кроме того, при линейном законе развертки на участке силовой линии внутри горловины трубки поле должно быть равномерным, т.е. напряженность поля Н = const в любой точке горловины. Поэтому
j) Н dl^ Н	dl = Яб/siiK/? = 0,4тгго^,
откуда
Hd .
W — sin
0,4тг
где d — диаметр горловины трубки.
Для силовой линии, проходящей по диаметру горловины, т.е. при (/9 = 90°, полное число ампер-витков пары отклоняющих катушек
шп = Я(с//0,4тг).	(8.4)
Подставляя значение Я из (8.4) в (8.1) и зная заряд и массу электрона, получаем
= 2,7р sin	(8.5)
'о
Таким образом, полное число ампер-витков отклоняющей системы пропорционально синусу угла отклонения электронного луча.
С достаточной для практических расчетов точностью индуктивность пары отклоняющих катушек, Гн,
Ln = ZoW2 • 1СГ8.	(8.6)
156
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Для увеличения чувствительности к отклонению, т.е. получения заданного угла отклонения возможно меньшим числом ампер-витков, колбы кинескопов с большим углом отклонения (110°) должны иметь плавный переход от горловины к раструбу. Для этого часть отклоняющих катушек необходимо располагать в месте этого перехода. Таким образом, увеличивается электрическая длина катушки, и согласно (8.5) необходимое число отклоняющих ампер-витков может быть уменьшено. При этом уменьшаются искажения изображения на периферии экрана за счет краевых эффектов и затенения.
Выведенные соотношения (8.2) и (8.5) основываются на предположении, что магнитное поле отклоняющей системы однородно и отклоняющий ток линейно изменяется в течение прямого хода развертки. Однако, изменив распределение магнитного поля, сделав его неоднородным, можно получить другие результаты.
При неоднородности магнитного поля возникают подушкообразные либо бочкообразные искажения. Следовательно, можно, подбирая характер неоднородности поля в горловине кинескопа, компенсировать искажения, вносимые плоским экраном кинескопа. Требуемая для компенсации искажений кинескопа неоднородность поля создается изменением распределения витков в сечении отклоняющей катушки. Как видно из рис. 8.3,а, для получения равномерного поля распределение плотности витков по сечению отклоняющей катушки должно быть неодинаково. Если для получения равномерного поля распределение плотности витков по сечению должно соответствовать косинусоидальному закону (зависимость от угла <р), то для компенсации искажений необходимо, чтобы распределение витков происходило по закону cos2</? или cos3(/2. Однако введение неоднородных полей для компенсации геометрических искажений приводит к некоторому ухудшению фокусировки луча на краях вследствие астигматизма поля. Поэтому часто для черно-белых кинескопов принимают такое распределение витков, чтобы добиться хорошей фокусировки, а корректировку поля осуществляют одной или двумя парами вспомогательных постоянных магнитов, смонтированных в передней части отклоняющей системы, прилегающей к колбе кинескопа.
Эффективным способом борьбы с искажениями от плоского экрана кинескопа является подбор специальной формы отклоняющего тока, обеспечивающей требуемое отклонение луча по всему растру. В черно-белых кинескопах для этой цели применяется S-коррекция тока отклонения в выходных каскадах генераторов, а в цветных телевизорах кроме S-коррекции тока отклонения используется взаимная перекрестная модуляция отклоняющих токов, о чем будет сказано в следующих разделах.
При конструировании отклоняющей системы необходимо обеспечить минимальное значение отклоняющего тока для получения заданных размеров изображения, создать хорошую фокусировку луча в пределах всего поля изображения, избежать подушкообразных и
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
157
других геометрических искажений. При этом конструкция должна быть простой, габариты, масса и стоимость — малыми.
Современная конструкция отклоняющей системы широкоугольного кинескопа выполнена на тороидальном панцире из феррита, имеющем раскрыв по форме перехода от горловины к раструбу кинескопа. Внутрь тора вложена пара катушек СК седловидной формы (см. рис. 8.3,6), плотно прилегающих к стеклу колбы. В окнах этой пары катушек (ортогонально) размещаются две встречно включенные КК, намотанные непосредственно на торе ферритового панциря. При таком исполнении отклоняющая система получается очень компактной и с минимальными потерями в меди КК, однако с относительно большой реактивностью, что необходимо учитывать при конструировании генераторов кадровой развертки.
К конструкции отклоняющих систем для цветных масочных кинескопов предъявляется ряд дополнительных требований по сравнению с отклоняющими системами для черно-белых кинескопов. В них следует обеспечить такое сведение лучей при отклонении, которое позволило бы осуществить необходимое динамическое сведение лучей по полю экрана, чистоту цвета изображения на экране при соблюдении жестких допусков на электрические и конструктивные параметры.
Для сравнения отклоняющих систем вводится понятие эффективности и электрической прочности. Эффективность отклоняющих систем характеризуется максимальной энергией магнитного поля, необходимой для полного отклонения лучей:
1)	по горизонтали СК
Жтр = ЛД2тах/2С/а,
где Дтах — амплитуда отклоняющего тока, A; L — результирующая индуктивность, Гн; /7а — ускоряющее напряжение на втором аноде кинескопа, кВ;
2)	по вертикали КК
и/кадр = л/2тах/с/а>
где Дтах — амплитуда отклоняющего тока, A; R — результирующее активное сопротивление, Ом.
Отклоняющие системы цветного телевидения обычно работают при напряжении на втором аноде кинескопа 25 кВ, а отклоняющие системы черно-белого телевидения — при напряжении 16 кВ. В результате этого при одинаковых углах отклонения и диаметрах горловины кинескопа эффективность отклоняющих систем цветных телевизоров в 1,5-2 раза меньше, чем эффективности отклоняющих систем черно-белых телевизоров.
Электрическая прочность отклоняющих систем, измеряемая в вольтах, должна быть больше максимального напряжения /7тах на (К во время обратного хода Тох.
158	ЧАСТЬ IL Принципы построения преобразователей
8.2.	Эквивалентная схема отклоняющей системы
В связи с большой разницей рабочих частот генераторов развертки строчного и кадрового отклонений (частота строчной развертки — 15625 Гц, а частота полей — 50 Гц, т.е. примерно в 300 раз) принципы действия и схемы их также различны.
Для получения неискаженной формы импульсов с точностью, удовлетворяющей практические инженерные расчеты, достаточно воспроизвести 20-ю гармонику сигнала. При этом для строчного генератора верхняя граничная частота спектра сигнала 15625 х 20 = = 300 кГц, а для кадрового — всего 50 х 20 = 1 кГц.
На рис. 8.4,а изображена эквивалентная схема отклоняющей системы. Здесь Гк, тк и Ск — соответственно индуктивность, активное сопротивление и межвитковая емкость катушек отклонения. Емкостью Ск в схеме кадровой развертки можно пренебречь, но на строчной частоте паразитная межвитковая емкость может значительно влиять на форму и размах отклоняющего тока и напряжения. Пренебрегая емкостью Ск, легко определить, какие управляющие напряжения следует подавать на отклоняющую систему:
ГГ	ТТ	ГТ	т
Дк — Г L 4“ Ur — LK-r~ + Гк2.
dt
Так как ток, протекающий через катушки, меняется по линейному закону (рис. 8.4,5), то i = It/Т и, следовательно, UK = (LK/T)I + 4-rKZ(Z/T), где Т — длительность строки или кадра; I — размах тока.
Для получения пилообразного тока в отклоняющих катушках необходимо на них подавать напряжение, содержащее пилообразную и импульсную составляющие.
Рис. 8.4. Получение пилообразного тока в отклоняющих катушках: а — эквивалентная схема; 6-д — форма тока и напряжений отклоняющей системы
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
159
Когда rK cjZ/k, приложенное напряжение практически соответствует форме протекающего тока и является пилообразным (рис. 8.4,в). При тк wLK напряжение имеет импульсную форму, так как форма его определяется производной тока (рис. 8.4,г). Если и гк соизмеримы, то для получения пилообразного тока в катушках отклонения необходимо подавать напряжение пилообразноимпульсной формы (рис. 8.4,5). Соотношение импульсной и пилообразной составляющих напряжения определяется соотношением значений LK и тк.
Таким образом, всякая система развертки должна включать в себя специальное формирующее устройство для получения управляющего напряжения требуемой формы. Такое напряжение легко можно было бы получить преобразованием синхронизирующих импульсов. Однако практически в схему развертывающего устройства всегда входит специальный генератор напряжений импульсной формы (генератор импульсов), который синхронизируется приходящими импульсами. Такая система более помехоустойчива, и ее работа не зависит от формы и уровня синхронизирующих импульсов.
В общем случае всякое развертывающее устройство состоит из генератора импульсов (задающий генератор), каскада формирования управляющего напряжения и выходного каскада.
8.3.	Выходной каскад строчной развертки на двустороннем ключе
Рассмотрим работу выходного каскада строчной развертки, в которой активным прибором служит ключ К, прерывающий протекание тока через отклоняющую катушку (рис. 8.5,а). Для простоты рассуждений можно принять сопротивление потерь гк от реального ключа и реальной катушки в цепи выходного каскада равным бесконечно малой величине, т.е. гк = 0. В таком случае при замыкании ключа через катушку LK потечет ток
il = у- / Eq dt.
J
При значении Zmax, определенного для данной отклоняющей катушки в момент времени ii (рис. 8.5,5) ключ размыкается, и в контуре LKC возникнут свободные колебания. При идеальном контуре эти колебания будут незатухающими с периодом Д. При этом 'гок изменяется по косинусоидальному закону, а напряжение — по синусоидальному:
Ъ L — Anax COSCJq/:, U £, — ^Anax Sill LJq£.
На диаграмме токов и напряжений отмечены моменты време-чи /|, f-2 и f3, фиксирующие максимальную энергию в катушке маг-
160
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 8.5. Выходной каскад строчной развертки: а — эквивалентная схема; 6, в — форма напряжения и тока
нитного ПОЛЯ
WL = LKI2/2 и в конденсаторе электрического поля
Wc = CU2/2
соответственно.
При следующем замыкании ключа в момент времени перемагниченная катушка с запасенной энергией магнитного поля будет разряжаться на источник питания, у которого внутреннее сопротивление Ri = 0. Следовательно, с момента до момента катушка освобождается от запасенной энергии по тому же закону изменения тока, что и до момента ii, но в другой полярности. Момент времени характеризует перемену в направлении тока, так как катушка снова начинает запасать энергию до очередного выключения ключа в момент ^4. Как видно из диаграммы тока, идеализированная схема с ключом способна генерировать пилообразный ток, в среднем не потребляя энергию от источника, так как отрицательная полуволна тока симметрична ее положительной части. Однако необходимо соблюдать определенную синхронизацию в работе ключа (моменты , £з), обязательную двустороннюю проводимость его и правильность выбора реактивных параметров схемы LK и С. Правильность выбора этих параметров состоит в том, чтобы в контуре полу период свободных колебаний укладывался в длительность Т-2 обратного хода строчной развертки, тогда при Т = (1/2)ТЬ и Tq = 2тг\/ЬкС параметры колебательного контура в схеме развертки будут определяться соотношением Т% = i\x/LKC.
При определении пригодности активных приборов, используемых в качестве ключа, в подобной схеме можно воспользоваться дву-
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
161
мя оценочными параметрами: максимальным током 1КЛ тах замкнутого ключа (см. рис. 8.5,6) и максимальным напряжением UKJl max разомкнутого ключа.
Для этого обратимся к диаграмме рис. 8.5,6и обозначим пределы интегрирования для тока в катушке во время прямого хода Д:
• _ 2_ Г1/2 р	г	_
— j- I Eq dt, /max — -r 9 •
Таким образом,
I —I — — — 2кл max — 2max — -r •
В свою очередь, за время свободных колебаний напряжение на индуктивности
di
— —Сс\}//к/тах Sin CJq£.
at
При этом амплитуда колебаний напряжения
^тах = ^о/'к/тах)
и после подстановки известных cjq и 1тлх получим
ТГ _ Г F Z1 C^max — о -^0 гр •
4	J-2
Как видно из схемы рис. 8.5,а и диаграммы рис. 8.5,в, максимумы напряжения на разомкнутом ключе во время обратного хода ?2 определяются как
^кл max = ^тах “Ь Eq.
Как правило, это напряжение многократно превышает напряжение источника питания и в практических схемах эта кратность приближается к 10. ..15, т.е. Umax кл = Ю...15Е0.
Произведение UKJl max и 1КЛ тах, характеризующее работоспособность ключа в такой схеме, называется «разрывной мощностью»
/"разр = ^max(^max “Ь Eq).
На практике в схемах строчной развертки при выборе в качестве ключа ламп, транзисторов или тиристоров необходимо руководствоваться следующими неравенствами:
/доп Дтах*) Дцоп ^тах И /доп t/доп /‘разрэ где /доп и t/доп — допустимые ток и напряжения для прибора.
Рассмотрим влияние активного сопротивления потерь гк (катушек отклонения и ключа) на форму тока при прямом ходе. Влиянием
I 1
162
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 8.6. Эквивалентная схема генератора строчной развертки на прямом ходе
Рис. 8.7. Формы тока и напряжений при гк = О
емкости обратного хода С при прямом ходе можно пренебречь. Таким образом, эквивалентная схема выходного каскада строчной развертки упрощается (рис. 8.6). Конечное значение сопротивления гк является причиной потерь мощности, а также приводит к геометрическим искажениям изображения, проявляющимся обычно в растяжении его левого края и сжатии правого. Ток в катушке будет изменяться по экспоненциальному закону (рис. 8.7):
где т = Lk/tk — постоянная времени катушки.
Нелинейность отклоняющего тока на прямом ходе оценивается коэффициентом нелинейности
К ___ \di / dt\t—Q \difdt\t—T\
\di/dt\t=Q
где \di/dt\t=Q — \dildt\t-T-L — скорости изменения тока в начале и конце прямого хода соответственно. Формы тока и напряжения на обратном ходе будут почти такими же, как и в идеализированной схеме, поскольку источник питания Eq отключается и образуется колебательный контур CLK, но с потерями от активного сопротивления катушки. Поэтому | + Zmax| > I ~ Лпах| из-за затухания колебаний в контуре, вследствие чего весь цикл пилообразного тока в реальной цепи с потерями смещается вверх относительно нуля. Другими словами, появляется постоянная составляющая тока отклонения Iq. Зависимость коэффициента нелинейности от параметров схемы (см. рис. 8.6) можно определить, продифференцировав по времени
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
163
выражение тока на прямом ходе:
di Eq rK	ft
— = — — exp - -dt rK LK	\ т
откуда
di _ Eq di t=o
di Eq
—	= — exp
t=T^
Подставляя эти значения скорости изменения тока в выражение для коэффициента нелинейности, получаем
= 1 - ехр(-Т1/т).
При малых нелинейностях, учитывая, что 1 — ехр( —х) « гг, при х < 1
га Ц _ ГкТ1 ~ — т > т Ьк
т.е. для уменьшения нелинейности нужно стремиться к уменьшению тк и увеличению индуктивности LK отклоняющих катушек. Практически при Кн < 0,05 геометрические искажения для глаза незаметны. Допустимыми считаются искажения при Кн 0,1...0,15 в черно-белом телевидении и Кн 0,03...0,05 в цветном телевидении.
8.4.	Практическая схема генератора строчной развертки на транзисторе
Из существующих активных электронных приборов — ламп, транзисторов и тиристоров — в настоящее время в наибольшей степени соответствуют свойствам двустороннего ключа специально разработанные биполярные транзисторы большой мощности с малой инерционностью. Это позволяет реализовать описанный принцип получения пилообразного тока наиболее экономично, чего невозможно было добиться на лампах и тиристорах вследствие их специфических особенностей. Так, лампа не способна быть хорошим ключом с двусторонней проводимостью, а тиристор требует усложнения схемы из-за трудностей управления его проводимостью. Поэтому современные генераторы строчной развертки для черно-белых и цветных кинескопов выполнены в основном на транзисторах.
Выходной каскад. Отметим особенности работы выходного каскада строчной развертки на транзисторе. Как отмечалось, из-за потерь в цепях выходного каскада от источника тока потребляется мощность Pq = EIq. Следовательно, во избежание протекания постоянного тока Iq через катушку необходимо трансформаторное или дроссельное включение отклоняющей системы в цепь генератора. Как правило, используется дроссельное включение. При этом
I I
ИИ
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 8.9. Диаграмма токов и напряжений в схеме рис. 8.8
Рис. 8.10. Выходные характеристики пары диод-транзистор
обеспечивается более высокий КПД, так как практически вся колебательная мощность выделяется в отклоняющей системе.
Рассмотрим работу выходного каскада на транзисторе типа п-р-п, собранного по схеме с дроссельным включением катушки отклонения. Как видно из рис. 8.8, на базу транзистора VT подводят управляющие импульсы, периодически открывающие и закрывающие транзистор. Эти импульсы должны быть достаточного размаха, чтобы транзистор был либо в состоянии насыщения, либо отсечки. Для иллюстрации процессов в схеме на рис. 8.9 представлены диаграммы токов и напряжений в характерных ее точках, т.е. процесс развертки на транзисторе вполне укладывается в теоретические посылки, которые были сделаны в § 8.3. Отметим лишь ряд практических особенностей схемы выходного каскада.
Ввиду малого числа витков современных отклоняющих катушек (что позволяет уменьшить потери в меди), допускающих наибольшие значения постоянной времени т — LK/rK и, следовательно, наименьшую нелинейность, в схему приходится включать отдельный конден
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
165
сатор С, емкость которого существенно больше межвитковой и определяется требуемой длительностью обратного хода Т% — яу/L^C. Параллельно транзистору включают в обратной полярности диод VZ), который по традиции ламповой схемотехники называют демпферным, что можно принять весьма условно. У этого диода два основных назначения. Во-первых, своей прямой проводимостью он уравнивает обратную и прямую проводимости транзистора, находящегося в насыщении и под воздействием ЭДС переполюсованной катушки во время первой половины прямого хода. Выбор диода осуществляется из условия согласования выходных ВАХ транзистора для положительной и отрицательной полуволн тока. На рис. 8.10 приведен пример такого сопряжения, из которого видно, что у биполярного транзистора выходные характеристики гк = f(UK) в первом и третьем квадрантах существенно неодинаковы. Проводимости, определяемые для насыщенного состояния транзистора линиями критического режима с разными углами наклона, уравниваются при подсоединении соответствующего диода и обеспечивают, таким образом, одинаковость формы тока в первой и второй половине прямого хода развертки.
Во-вторых, не менее важная функция у диода — избавиться от необходимости очень точного выбора момента замыкания ключа-транзистора в начале прямого хода, как это было определено для схемы с идеальным ключом. Очевидно, что использование дополнительного диода избавляет от этой трудно реализуемой инженерной задачи, так как ЭДС переполюсованной катушки в начале прямого хода автоматически включает диод в прямом направлении (см. рис. 8.9, гд) и начинается формирование пилообразного тока в его отрицательной полуволне. При этом момент включения транзистора (см. рис. 8.9, гтр) может быть произвольно отодвинут вплоть до середины прямого хода. Обычно соблюдают условие Т2 < тзап < 0,571 4- Т% или тОпт > 0,5Т1. В этом случае инженерное обеспечение момента включения транзистора не требует прецезионной схемотехники. Кроме того, форма тока в отклоняющей катушке при одновременной работе диода и транзистора в первой половине прямого хода практически всегда лучше, чем при поочередном включении диода и транзистора на полуволнах тока, так как в этом случае исключается определяющее влияние нелинейности ВАХ диода в момент перехода тока отклонения через нуль (см. рис. 8.9, гд).
Разделительный конденсатор С5 кроме основной функции блокирования постоянной составляющей тока, как правило, решает задачу коррекции геометрических искажений изображения при больших углах отклонения на плоском экране. Как упоминалось (см. рис. 8.2), эти искажения можно скомпенсировать, если придать отклоняющему току S-образную форму (рис. 8.11,в) с тем, чтобы с ростом угла отклонения скорость нарастания тока замедлялась. В последовательной цепи LKCs, как в контуре, возникает синусоидальный ток собственных колебаний (рис. 8.11, 6), который складывает-
166
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 8.11. Получение S-образной формы тока
ся с пилообразным током (рис. 8.11, а), создаваемым в катушке LK отклоняющей системы генератором развертки. При правильно подобранных амплитуде, фазе и частоте этого синусоидального тока суммарный отклоняющий ток получает на прямом ходе желательную S-образную форму (рис. 8.11 ,в). Контур LKCs должен быть настроен на частоту более низкую, чем строчная частота. Зависимость степени изгиба 6 отклоняющего тока от частоты настройки контура LKCs (рис. 8.11,г) и сравнительный график (рис. 8.11,в) линейного Zmax и S-образного Is max токов [28] имеет вид
с _ Zmax IS max __	SincJ-^"
$ ~ Т	~	’
IS max	SIB CJ 2
Эта зависимость и график позволяют определить необходимую S-образную форму суммарного тока в контуре LKCs, которая включает фрагменты двух синусоид, сопряженных на границах прямого и обратного ходов.
Следует отметить, что емкость конденсатора Cs во много раз больше конденсатора С обратного хода и не оказывает существенного влияния на процессы формирования тока во время обратного хода. С учетом большой реактивной мощности, пропускаемой конденсатором Cs, необходимо употреблять лишь конденсаторы с малым тангенсом угла потерь в диэлектрике, тем более что верхняя граничная частота спектра колебаний в генераторе строчной развертки составляет не менее 300 кГц. Это же замечание относится и к выбору типа конденсатора С для формирования обратного хода развертки.
Сердечник дросселя выбирается также из соображений уменьшения потерь от вихревых токов на высокой частоте и уменьшения габаритных размеров и массы конструкции при общем требовании Лдр > LK. В наибольшей степени этому способствуют ферритовые материалы среднечастотного диапазона, позволяющие за счет высо-
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
167
Таблица 8.1
Пара-метр	Значение параметров для различных типов транзисторов							
	ГТ905А	ГТ806Д	КТ809А	КТ840А	КТ808А	КТ812А	КТ828А	КТ839А
Г'к шах , В	130	140	400	800	250	700	1400	1500
7к max, А	3	15	5	8	10	12	7,5	10
Rhclc, Ом	<0,2	0,05	<0,5	0,5	<0,5	<0,5	<0,2	<0,2
Тзад, МКС	2	5	4	4	5	5	4	5
кой магнитной проницаемости уменьшить число витков обмотки и тем самым уменьшить потери в меди по постоянному току.
Рассмотрим особенности работы транзистора как ключа в схеме рис. 8.8. Ясно, что тип транзистора определяется разрывной мощностью, характерной для этой схемы, и частотными свойствами транзистора, определяющими допустимую инерционность переключения с прямого на обратный ход развертки в токе отклонения. Поскольку транзистор реализует функцию ключа по схеме управления с общим эмиттером, то собственная частота fa транзистора должна быть по крайней мере на порядок больше максимальной частоты в схеме /max = 300 кГц с учетом малого коэффициента усиления транзистора в режиме переключения больших токов. Таким образом, класс используемых транзисторов относится к среднечастотному с диапазоном 3...5 МГц. В зависимости от назначения развертки для малых или больших кинескопов ток отклонения 7К 1пах может колебаться от долей ампера до десятков ампер, и соответственно напряжение обратного хода на отклоняющей катушке UK max — от сотни вольт до единиц киловольт. В табл. 8.1 приведены данные по отечественным транзисторам, применяемым с разными кинескопами.
Известно, что допустимое пробивное напряжение /7КДОП на коллекторе транзистора существенно зависит от сопротивления по постоянному току между базой и эмиттером. Исходя из этих соображений, выходной транзистор управляется по базе только через трансформаторную связь с буферным каскадом. При таком решении достигается ряд положительных эффектов: увеличивается /7КДОП, так как #бэ ~ 0; обеспечивается хорошее согласование буферного каскада с низкоомным входом ключевого транзистора выходного каскада, так как на входе его следует создать большой импульс тока относительно малой величины по напряжению. Более того, для ускорения рассасывания зарядов в базе в конце прямого хода, когда ток в коллекторе максимален, необходимо применить форсирование управляющих импульсов при запирании транзистора, т.е. создать дополнительный всплеск напряжения на импульсе запирания (см. рис. 8.9, U^). Обязательным требованием к такому трансформаторному каскаду является противофазное включение обмоток, т.е. обмотки должны быть всегда нагружены либо на открытый вход выходного каскада, либо на открытый транзистор буферного каскада. В этом случае исклю
168
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
чаются паразитные свободные колебания от реактивных элементов в трансформаторе Тр. Тем не менее даже при использовании достаточно высокочастотных транзисторов и форсирующих цепей в базе выходного транзистора не удается полностью избавиться от проявления инерционности выхода транзистора из глубокого насыщения, необходимого для достижения минимального остаточного сопротивления ключа, а следовательно, малых активных потерь в схеме и малой нелинейности в токе отклонения. В современных транзисторах задержка между командой на закрывание и началом обратного хода в токе отклонения достигает 3...5 мкс в зависимости от мощности. Этот неприятный фактор приводит, с одной стороны, к увеличению потерь, так как это эквивалентно шунтированию колебательного контура LKC во время обратного хода проводимостью невыключившего-ся транзистора, с другой стороны, возникает задержка в формировании обратного хода тока отклонения относительно видеосигнала, а следовательно, и нарушение синфазности развертки изображения на экране по отношению к передаваемому изображению. Так как в телевизионных приемниках гасящий импульс формируется из импульсов обратного хода, при большой инерционности возможна потеря части изображения в левой части экрана. Во избежание этого приходится в задающих генераторах вырабатывать управляющие импульсы, передний фронт которых опережает строчные синхроимпульсы. Значение этого упреждения (фазы) устанавливается при регулировке системы АПЧиФ, осуществляющей одновременно помехоустойчивую синхронизацию задающего генератора.
Схема генератора строчной развертки для черно-белого кинескопа. Приведенные соображения по обеспечению правильной работы выходного каскада транзисторной строчной развертки можно практически проиллюстрировать на конкретной схеме рис. 8.12. Здесь представлена современная реализация генератора строчной развертки черно-белого телевизионного приемника. Как видно из схемы, разделительным дросселем служит первичная обмотка трансформатора Тр2, вторичные обмотки которого предназначены для получения высоких напряжений, обеспечивающих цепи питания кинескопа (анод, фокусирующий и ускоряющий электроды, подогреватель катода) и выходного видеоусилителя. Для этих целей применяются выпрямители во вторичных обмотках, в которых трансформированные импульсы напряжения обратного хода в соответствующей полярности выпрямляются и фильтруются до необходимого значения пульсаций. Такой способ получения питающих напряжений особенно эффективен в портативных телевизорах с автономным питанием, так как задача фильтрации напряжений на частоте 15 кГц решается существенно проще, чем на частоте 50 Гц питающей сети переменного тока.
Постоянное напряжение для питания анода черно-белого кинескопа 20... 15 кВ целесообразно получать при помощи диодно-емкост-
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
169
Рис. 8.12. Практическая схема генератора строчной развертки для черно-белого кинескопа
ного многоступенчатого умножителя. Поскольку ток луча чернобелого кинескопа не превышает 200...300 мкА, габариты такого умножителя весьма малы и можно добиться большой электрической прочности всей цепи выпрямителя анодного питания, включая повышающую обмотку трансформатора, напряжение на которой получается не более 5...6 кВ переменного тока.
Использование выходного каскада для обеспечения питания постоянным током других цепей телевизора приводит к существенным потерям и снижению КПД каскада. Возрастает мощность рассеяния на транзисторе, увеличивается постоянная составляющая через обмотку дросселя трансформатора Тр2, ухудшая условия его работы из-за возможности насыщения феррита, увеличивается в конечном итоге нелинейность отклоняющего тока из-за замедления скорости нарастания тока в конце прямого хода. Для уменьшения искажений изображения от нелинейности тока используют так называемый регулятор линейности строк (РЛС), состоящий из намотанной на ферритовом сердечнике катушки, находящейся в поле постоянного магнита. Этот сердечник под воздействием переменного поля отклоняющего тока и поля постоянного магнита может менять степень насыщения, а значит, магнитную проницаемость и в конечном счете — индуктивность катушки.
При определенных значении и направлении отклоняющего тока магнитное поле, создаваемое им, компенсирует поле постоянного магнита либо складывается с ним. При этом индуктивность резко возрастает или становится очень малой. Изменяя магнитный поток в сердечнике перемещением постоянного магнита относительно катушки, можно менять положение регулируемой области на экране кинескопа.
170
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
В практических схемах выходных каскадов строчной развертки современных черно-белых телевизоров часто применяют настройку резонансной системы выходного трансформатора импульсов обратного хода Тр2 на 3-ю или 5-ю гармонику частоты этих импульсов. Это позволяет получить более высокие значения выпрямленных напряжений от вторичных обмоток при меньших коэффициентах трансформации и уменьшить величину импульса обратного хода в первичной цепи, так как эта гармоника вычитается из первичного импульса и складывается с ним во вторичных обмотках. С этой целью к первичной обмотке подключается соответствующим образом компенсирующая обмотка на трансформаторе Тр2, нагруженная на регулируемый дроссель L1.
Функцией буферного каскада на транзисторе является управление выходным транзистором значительными токами его базы, достигающими в некоторых случаях 0,5...0,7 А. Исходя из этого применяют понижающий согласующий трансформатор с коэффициентом трансформации 4...5 так, чтобы обеспечить при этих токах размах напряжения не менее 4...5 В. Форсирование выключения выходного транзистора VT2 достигается включением RC-цепи либо в базу транзистора VT2 (R3C2), либо в эмиттер транзистора VT1 (R2C1). При этом управляющее напряжение в базе получает желаемую форму (см. рис. 8.9, /7б)- Учитывая специфику трансформаторного каскада, работающего с понижением, в качестве усилительного транзистора VT1 можно использовать маломощный транзистор, что существенно упрощает подключение его к задающему генератору непосредственно, без усиления по току. В современных черно-белых и цветных телевизорах задающий генератор и система автоподстройки частоты и фазы исполняются в виде интегральной микросхемы, например 174АФ1, 174ГФ1, 174ХА11 отечественного исполнения, на соответствующие входы которых поступают импульсы обратного хода с выходного каскада и импульсы строчной синхронизации из видеосигнала, выделяемые в амплитудном селекторе. Как правило, в этих микросхемах осуществляются две автоматические регулировки. Регулировка частоты «R2» при помощи отдельного фазового детектора производится при сравнении частоты задающего генератора и строчных синхроимпульсов. Регулировка фазы импульсов «R1» управления задающего генератора осуществляется при помощи другого фазового детектора, сравнивающего импульсы обратного хода выходного каскада с импульсами задающего генератора. Такая независимая регулировка позволяет осуществить, кроме того, и генерацию специальных импульсов для управления системой цветовой синхронизации, синхронных с пакетами поднесущей, на площадках сгрочного гасящего импульса, что весьма актуально для современных многостандартных цветных телевизоров.
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
171
8.5.	Особенности выходных каскадов строчной развертки в цветных телевизорах
Генераторы строчной развертки цветных телевизоров должны обеспечивать более высокое напряжение питания второго анода кинескопа (до 25 кВ) и большую энергию магнитного поля отклоняющей системы (примерно в 1,5 раза) по сравнению с генераторами черно-белых кинескопов.
Необходимость увеличения напряжения второго анода обусловлена малой прозрачностью теневой маски для электронов и необходимостью иметь большую мощность электронных лучей для обеспечения требуемой яркости изображения. Например, для трубок с диагональю экрана, большей или равной 60 см, суммарный ток трех лучей I = 1,0...1,22 мА и ускоряющее напряжение второго анода 25 кВ. При этом мощность, необходимая для питания высоковольтной цепи, достигает 25...30 Вт, что значительно больше, чем в чернобелых телевизорах.
Увеличение напряжения питания второго анода, естественно, приводит к необходимости увеличения энергии отклоняющего поля. Кроме того, генератор строчной развертки должен обеспечить получение напряжения фокусировки трубки 4,7...5,5 кВ и напряжения питания ускоряющего электрода 0,5...1,0 кВ, коррекцию геометрических искажений растра до 3 %, более высокую линейность отклонения, а также формирование импульсов напряжения для управления схемами динамического сведения лучей, каналом сигнала цветности и для гашения лучей кинескопа.
В современных цветных телевизорах с экранами кинескопов 51 см и больше предъявляются существенно более высокие требования к линейности развертки и геометрическим искажениям изображения, так как с этими требованиями связано качество динамического сведения лучей в дельта-кинескопах и тем более в планарных кинескопах с самосведением. Для этих целей в выходных каскадах должны быть предусмотрены цепи коррекции подушкообразных искажений, электрической центровки растра, а также элементы линеаризации развертки, такие как S-корректоры тока.
Поскольку большие изменения токов трех лучей при изменении яркости приводят к колебаниям напряжения питания второго анода, применяются специальные меры по ограничению тока лучей и стабилизации напряжения второго анода. Отсюда понятно, почему потребляемая генератором строчной развертки цветного телевизора мощность оказывается в 3-4 раза большей, чем в черно-белом телевизоре сопоставимого размера экрана. Поэтому выходные каскады традиционно для цветных телевизоров выполнялись на более мощных лампах, тиристорах и транзисторах с использованием качественных ферритовых сердечников в дросселях-трансформаторах, способных работать при больших токах подмагничивания. Представленные в
172
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
табл. 8.1 данные по техническим характеристикам современных отечественных транзисторов позволяют сделать вывод, что существует большой выбор среди этих транзисторов для реализации наиболее эффективной и экономичной схемы выходного каскада на двустороннем ключе. Не случайно поэтому в современных разработках цветных телевизоров, не говоря уже о профессиональных мониторах, транзисторы в развертках абсолютно вытеснили своих предшественников — лампы и тиристоры.
Генераторы строчной развертки могут выполняться по схеме либо с одним совмещенным генератором отклоняющего тока и анодного напряжения питания, либо с отдельными генераторами с различными функциями, что характерно для профессиональной аппаратуры телецентров. В цветных телевизорах как достаточно массовой продукции исключительно широко применяется генератор по совмещенной схеме, так как он экономически эффективен из-за меньшего числа дорогих комплектующих изделий и, кроме того, более надежен и энергетически выгоден.
Принцип действия выходного каскада строчной развертки для цветного кинескопа по току отклонения и его коррекции подобен тому, что был изложен в § 8.4 применительно к черно-белым кинескопам. Поэтому целесообразно остановиться на некоторых, присущих исключительно цветным телевизорам, схемных особенностях транзисторного выходного каскада.
Высоковольтный выпрямитель. Получение высокого напряжения для питания второго анода кинескопа и фокусирующего электрода в современных генераторах телевизоров 4-го и 5-го поколений связано либо с использованием диодно-емкостных умножителей в отдельном конструктивном исполнении от дросселя-трансформатора (аналогично черно-белому телевизору), либо с использованием последних разработок в этой области — композитных монолитов из выходного трансформатора-дросселя с диодными выпрямителями второго анода, фокусирующего и ускоряющего электродов, например ТДКС-19 (так называемые сплиттрансформаторы). В последнем высокое напряжение получается от последовательного соединения трех отдельных однополупериодных выпрямителей с тремя независимыми высоковольтными обмотками. Такая реализация позволяет максимально увеличить надежность всего выпрямителя по электрической прочности и уменьшить общее внутреннее сопротивление источника высоковольтного питания. Использование в высоковольтных цепях современных диодных выпрямительных столбов позволяет резко уменьшить выходное сопротивление высоковольтного выпрямителя, тем самым частично решить задачу стабилизации высокого напряжения анода и напряжения фокусировки при изменении токов лучей кинескопа. Эффективным способом стабилизации указанных напряжений является включение в цепь нагрузки выпрямителей варисторов, обладающих нелинейной вольт-амперной харак
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
173
теристикой, способствующей стабилизации выходного напряжения в заданном диапазоне.
Обязательным условием работы высоковольтного выпрямителя является включение в его цепь последовательно контрольного резистора для организации обратной связи по ограничению тока лучей во избежание перегрева маски цветного кинескопа и резкого ухудшения качества изображения. Напряжение обратной связи с этого сопротивления в цветных телевизорах обычно используется в цепях видеоусилителей, меняя в предельных случаях режим работы кинескопа на участке катод — модулятор в сторону запирания по постоянному току и ограничивая размах сигналов за счет регулировки контрастности в соответствующих цепях обработки видеосигналов. Эта же контрольная цепь высоковольтного выпрямителя используется в современных цветных телевизорах 4-го и 5-го поколений для стабилизации размера строки и стабилизации высокого напряжения для разноярких сюжетов изображений, дающих большие колебания в токах лучей цветного кинескопа.
Коррекция геометрических искажений растра. Как было рассмотрено в § 8:1, геометрические искажения растра типа «подушка» возникают в широкоугольных кинескопах из-за нарушения пропорциональности между отклоняющим током и углом отклонения и из-за уплощения экрана. Это приводит к изгибу вертикальных и горизонтальных границ растра, тем большему, чем больше угол отклонения. В современных цветных кинескопах с отклонением 90 и 110° эти искажения совершенно неприемлемы и должны быть скорректированы. Очевидно, что упомянутые в § 8.1 способы коррекции растра при помощи постоянных магнитов, употребляемые в черно-белых кинескопах, не годятся для цветных, так как вызывают несведение лучей из-за нарушения однородности отклоняющего поля Поэтому в цветных телевизорах применяются специальные цепи, которые дополнительно к разверткам воздействуют соответствующим образом на процесс отклонения и компенсируют искажения.
Для устранения изгиба вертикальных линий в растре применяют горизонтальную коррекцию. Выравнивание изгиба горизонтальных линий осуществляется вертикальной коррекцией. Для горизонтальной коррекции необходимо уменьшать (рис. 8.13,а) амплитуду отклоняющего тока строчной частоты в верхней и нижней частях растра, для чего размах этого тока должен меняться по параболическому закону, где Я, V — длительности строки и поля. Для коррекции подушкообразных искажений горизонтальных линий (рис. 8.13,6) пилообразный ток частоты полей должен быть промодулирован возрастающей к периферии экрана строчной параболой. При этом отклонение по полю возрастает в центральной части каждой строки, и тем больше, чем дальше от центра.
В кинескопах с дельтаобразным расположением прожекторов, в которых используются отклоняющие системы с однородным полем
174
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 8.13. Коррекция подушкообразных искажений:
а, б— форма растра и форма корректирующего тока для горизонтальной и вертикальной коррекций соответственно; в— принципиальная схема коррекции подушки на двух трансформаторах
в)
отклонения (косинусная укладка витков по сечению), для коррекции широко применяется так называемый трансдуктор (корректирующий трансформатор). Особенностью этого трансформатора, собранного на ферритовом сердечнике, является нелинейная зависимость между магнитной проницаемостью сердечника и напряженностью магнитного поля (тока в обмотке) [26].
Подушкообразные искажения по горизонтали и вертикали можно корректировать с помощью одного или двух отдельных трансформаторов (рис. 8.13,в). Индуктивность обмоток трансформатора Tpi, изменяется с частотой полей, что приводит к изменению с этой частотой размаха строчного тока в строчных катушках LKC отклоняющей системы. Ток строчной частоты проходит через II обмотку Тр2 и III обмотку ТВК, придавая необходимую форму тока для кадровых катушек отклоняющей системы LKK. Эта схема показывает принцип взаимной модуляции в трансдукторах Ti и Тг- Цепи, формирующие в схеме параболу в строчном и кадровом токах опущены, чтобы пояснить только принцип.
В телевизорах с кинескопами с самосведением лучей вертикальная коррекция осуществляется введением астигматизма в поле вертикального отклонения, которого добиваются определенным распределением витков катушки по сечению, отличным от косинусного. В связи с этим современные модели телевизоров, использующие в основном кинескопы с самосведением, включают в блок строчной развертки только цепь горизонтальной коррекции, основанной на работе диодного модулятора. Это позволяет одновременно улучшить регули-
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
175
Рис. 8.14. Принципиальная схема диодного модулятора
ровку и стабилизацию горизонтального размера растра, а значит, и стабильность высокого напряжения.
В состав диодного модулятора входят составной демпфер VD1VD2, конденсаторы С2, СЗ, настраиваемая катушка индуктивности L. Рассматривая схему диодного модулятора (рис. 8.14), представленную в одном из вариантов реализации, присущих для телевизоров 4-го и 5-го поколений, можно заметить, что в нее включены два колебательных контура для интервала формирования обратного хода: основной контур — строчная катушка LKC, емкость обратного хода Cl (Cs и РЛС не являются определяющими), дополнительный контур — дроссель L, емкость обратного хода С2. Как известно, при дроссельном включении отклоняющей системы в обычной схеме двустороннего ключа разделительная емкость Cs выполняет роль источника питания и напряжение на ней (без учета S-коррекции) в среднем равно источнику питания схемы Е, так как в первой половине прямого хода она принимает ток заряда от перемагниченной катушки, а во второй — разряжается на катушку отклонения. В рассматриваемой схеме при помощи дополнительного контура последовательно с Cs включается конденсатор СЗ большой емкости (соизмеримой с Cs), который нагружен управляемой проводимостью транзистора VT2 от схемы управления. При включенном транзисторе VT1 через последовательно соединенные LKC и L потечет ток iK пилообразной формы, определяемый суммарной индуктивностью от LKC и L и величиной напряжения источника Е, устанавливающегося в сумме на конденсаторах Cs и СЗ. Нетрудно заметить, что при запертом транзисторе VT2 (схема управления отключена) напряжение на конденсаторе СЗ определяется известным соотношением исз ~ ul = diK/dt, так как при идеализации представленной схемы с точки зрения потерь заряд на конденсаторе СЗ восполняется током диода VD2 в первой половине прямого хода и уменьшается во второй, в среднем поддерживая некое установившееся напряжение задержки исз для запирания диода VD2 во второй половине прямого хода.
176
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Во время обратного хода при запертом транзисторе VT1 в каждом из этих контуров возникает полу период свободных колебаний, определяемый соответственно параметрами Ст, LKC и C^'L. В первой половине прямого хода перемагниченные катушки LKC и L своей энергией в этих контурах через прямые проводимости диодов VD1 и VD2 восполнят заряды на конденсаторах Cs и СЗ, разряженные во второй половине прямого хода. Подключающийся транзистор VT1 в этот же интервал времени через общую проводимость для последовательно включенных катушек LKC и L также дозарядит конденсаторы Cs и СЗ до стационарных напряжений, определяемых в сумме величиной приложенного через дроссельную обмотку выходного трансформатора ТВС напряжения питания Е.
Ток отклоняющей катушки в этом случае будет минимально возможным:
Т	— Е ^ПХ
Kmin “ lkc + lT’ где IK min — амплитуда тока; Тпх — время прямого хода развертки.
Если параллельно конденсатору СЗ подключить проводимость в виде управляемого транзистора VT2, то в схеме на конденсаторе СЗ не разовьется адекватное напряжение задержки (запирания диода VD2), соответствующее = L(diK/di). В этом случае ток iK во второй половине прямого хода в дополнительном контуре протекает через дроссель L и открытый диод VD2 до тех пор, пока не установится новое соотношение напряжений на конденсаторах Cs и СЗ, а в отклоняющей системе LKC не установится больший ток отклонения, определяемый возросшим удельным весом основного колебательного контура C1LKC. В пределе, если конденсатор СЗ замкнут накоротко очень большой проводимостью транзистора VT2, дроссель L шунтируется во вторую половину прямого хода открытым диодом VD2; колебания совершаются только в основном контуре, и ток в катушке LKC достигает максимального значения:
т	Е Тпх
Ik max — -г g •
-Ькс
Если изменять напряжение на конденсаторе СЗ, шунтируя его управляемой проводимостью параллельно подключенного транзистора VT2, то в известных пределах можно изменять значение отклоняющего тока. Именно так, изменяя статический режим транзистора VT2 по базе, регулируют и стабилизируют при помощи обратной связи по постоянному току горизонтальный размер растра, используя в качестве датчика упомянутое выше контрольное сопротивление ограничения тока луча. Очевидно, что задачу горизонтальной коррекции искажений можно легко решить, управляя соответственно состоянием проводимости транзистора VT2 в каждой текущей строке развертки. Для надежности работы схемы обычно на базу ключевого транзистора VT2 подают широтно-модулированные отпирающие импульсы,
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
177
Рис. 8.15. Схема горизонтальной центровки растра: а — дроссельная; б — диодная
у которых ширина в каждой строке в течение поля меняется по закону параболы (см. рис. 8.13,а). Средняя ширина импульса при этом соответствует номинальному размеру растра, который по петле автоматического регулирования стабилизируется в допустимых пределах.
Горизонтальная центровка растра. В отличие от чернобелых кинескопов, в которых центровка растра по горизонтали осуществляется внешним постоянным магнитом, устанавливаемым на горловине кинескопа, цветные кинескопы любого типа не допускают подобных воздействий внешнего поля па отклоняющий луч, так как при этом разрушается механизм статического сведения трех лучей, строго сориентированных в горловине кинескопа. Поэтому горизонтальная (и вертикальная) центровка в цветных кинескопах, если она применяется, осуществляется только введением в отклоняющую катушку дополнительного постоянного тока. На рис. 8.15,а приведена схема центровки растра, выполняемая обычно в портативных цветных телевизорах с относительно небольшими отклоняющими токами горизонтального отклонения. Цепь центровки, образованная обмотками 2-3, Г~4 дросселя L1 и потенциометром R, подключена одной диагональю к отклоняющей катушке LKC, а другой включена между источником питания и выходным каскадом строчной развертки. Когда мост сбалансирован потенциометром R в среднем положении, в строчных катушках постоянный ток не протекает. Благодаря блокировочному конденсатору отклоняющие катушки по переменному току подключены параллельно обмоткам дросселя L1, но поскольку индуктивность этих обмоток много больше индуктивности строчных катушек, то существенного влияния на работу выходного каскада генератора они не оказывают.
Другой вариант центровки реализуется за счет выпрямления импульсов с выходного каскада строчной развертки. Элементы центровки диодов VD1, VD2 через фильтрующую катушку L1 подключены к строчным катушкам LKC и выходному каскаду (рис. 8.15,6). В среднем положении движка переменного резистора R выпрямленные полуволны напряжения прямого хода от диодов VD1 и VD2 образуют равные и направленные навстречу друг другу постоянные токи. Ток
12
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
I 78
центровки в катушках равен нулю. При сдвиге движка переменного резистора R от среднего положения напряжение на резисторе становится полярно преобладающим, и через строчные катушки LKC на «корпус» протекает ток положительного или отрицательного знака, от чего растр смещается вправо или влево.
8.6.	Генераторы кадровой развертки
Особенности генераторов кадровой развертки. Как упоминалось в § 8.2, частотный диапазон генератора кадровой развертки ограничивается в практических схемах 20-й гармоникой кадрового тока, протекающего в отклоняющих кадровых катушках, и составляет примерно 50 х 20 = 1000 Гц. Постоянная времени кадровых катушек современных черно-белых и цветных отклоняющих систем седловидного и тороидального исполнения может быть достаточно велика — 3...4 мс, но существенно меньше периода развертки (20 мс). Это значит, что на прямом ходу развертки, длительность которого составляет примерно 19 мс, реактивной составляющей сопротивления кадровой катушки можно пренебречь. При этом выходной каскад работает как усилитель только на активное сопротивление катушки со всеми вытекающими требованиями к форме управляющего напряжения и его размаху. Поэтому необходимая для широкоугольных кинескопов S-коррекция пилообразного напряжения возбуждения получается либо за счет простейших нелинейных цепей (например, диодных ограничителей), либо применением частотно-зависимых отрицательных обратных связей, которыми охватывается предварительный усилительный тракт генератора кадровой развертки. В качестве синхронизируемого задающего генератора пилообразного напряжения может использоваться автогенератор на базе мультивибратора, фантастрон с отдельным или включенным в схему интегратором.
Однако при анализе работы выходного каскада во время обратного хода присутствие относительно большой реактивности в течение малой длительности (1 мс) должно быть учтено, а также сформулированы особые требования к исполнению выходного каскада. Принципиально выходной каскад кадровой развертки может быть выполнен по любой классической схеме усилителей мощности, известных в звукоусилительной технике, так как и по абсолютной мощности, и по частотному диапазону эти устройства значительно перекрывают потребности кадровых цепей отклонения современных черно-белых п цветных телевизоров. Такой подход применялся раньше в ламповых схемах и применяется в настоящее время в портативных черно-белых телевизорах с диагональю кинескопа 11... 16 см. В них реализуется выходной каскад, который рассчитан на полный ток отклонения в диапазоне частот 50...1000 Гц. Форма управляющего напряжения, возбуждающего выходной каскад, определяется типом выходного каскада (трансформаторный или бестрансформаторный) и значением постоянной времени кадровой катушки т = LK/RK. Поскольку в
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
179
старых ламповых телевизорах доля мощности кадрового генератора составляла очень малую часть от общей мощности телевизора из-за неэффективной ламповой строчной развертки и накальных цепей телевизора, не было стимулов бороться за высокий КПД кадрового генератора. Кроме того, для тех схем еще применялись многовитковые седлообразные отклоняющие системы, в которых активная составляющая катушек была значительна. Трансформаторное подключение катушки к выходной лампе, работающей в режиме класса А, позволяло получить хорошее согласование относительно большого тока отклонения и малого тока эмиссии катода выходной лампы. Проблема относительно быстрого переключения тока во время обратного хода в таких каскадах решалась за счет свободного колебательного процесса, возникающего на переломе тока в индуктивности катушки и трансформатора, подключенных к выходному генератору (тетроду, пентоду) с высоким внутренним сопротивлением Ri > l/'ly/L/C. где L и С — соответственно эквивалентные индуктивность и емкость схемы выходного каскада.
Развитие транзисторной техники и переход на интегральные технологии привели к необходимости использовать в современных телевизорах наиболее экономичные и технологичные выходные каскады кадровой развертки. Таковыми, как известно из усилительной техники, являются двухтактные бестрансформаторные каскады. В них при наличии большого выбора современных подходящих по току коллектора транзисторов достигается по мощности КПД « 50 % в режиме класса А и КПД « 78,5 % в режиме класса В для идеальной схемы. В связи с тем, что современные кадровые катушки отклоняющих систем вследствие тороидального оформления имеют малое число витков, в выходном каскаде требуется развивать значительные токи отклонения. Поэтому подавляющее число бестрансформа-торных каскадов кадровой развертки современных телевизоров для повышения экономичности выполняется по двухтактной схеме в режиме класса В, либо близком к нему — класса АВ.
В генераторах кадровой развертки, как следует из § 8’2, полезной частью переменного напряжения, приложенного к катушке, является только активная (пилообразная) составляющая Ur. Дополнительная импульсная составляющая Ul, необходимая для формирования отклоняющего тока обратного хода, к сожалению, требует увеличения общего напряжения питания выходного каскада и, следовательно, приводит к уменьшению КПД. В этом состоит отличие двухтактных кадровых генераторов разверток, работающих на реактивную нагрузку (LK, RK), от двухтактных аналогичных усилителей звуковой частоты, нагруженных на активное сопротивление звуковой катушки и работающих с симметричным по форме акустическим сигналом.
Для обобщенной схемы выходного бестрансформаторного каскада напряжение источника питания, необходимого для функциониро-
12'
ISO
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 8.16. Обобщенная схема выходного каскада кадровой развертки: а— принципиальная схема; б— форма напряжений и токов
вания схемы, складывается из составляющих (рис. 8.16,а, б):
Е = 2Ur + Jj l + 2£/ост,
где Ur = (IK/2)RK — амплитуда пилообразного напряжения на катушках; Ul = LKIK/TOX — размах импульсов напряжения обратного хода на КК; UOCT — допустимое остаточное напряжение Пкэ-
Из этого равенства следует, что для обеспечения необходимой длительности Тох обратного хода развертки по кадру необходимо определенное значение Е:
LKIK
Тох E-(2UR + 2UOCT)'
Однако и КПД каскада, как известно, определяется из выражения
_	_ U2r/Rk
11 Ро Е10 ’
где Р~ — мощность, выделяемая в нагрузке; Pq = EIq — мощность потребления от источника; То — суммарный ток от тока смещения транзисторов и тока VT1.
Поэтому чем меньшая требуется длительность обратного хода в токе отклонения при заданных параметрах отклоняющей системы LK, RK, тем большее значение напряжения следует выбирать для источника питания Е и тем самым уменьшать КПД каскада. Как видно из схемы, верхний транзистор VT1, открытый во время обратного хода развертки, рассеивает значительно большую мощность, чем нижний, через который происходит разряд конденсатора С за время второй половины прямого хода развертки. Эта несимметрия загрузки транзисторов выходного каскада тем больше, чем больше постоянная времени катушек т = LK/RK, т.е. чем больше импульсная составляющая Ul на катушках.
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
181
Рис. 8.17. Выходной каскад кадровой развертки:
а — двухтактный каскад с дополнительной симметрией; б— выходной каскад с последовательным управлением; в— выходной каскад на составных транзисторах с параллельным возбуждением
Из этих рассуждений следует, что КПД каскада можно увеличить уменьшением напряжения питания Е при уменьшении постоянной времени катушек. В современных кадровых катушках отклоняющих систем ЦТ удалось добиться постоянной времени т = 1 мс. При этом существенно выравнивается загрузка по мощности выходных каскадов. Тем не менее соотношение мощностей на открытом и закрытом во время обратного хода транзисторах не опускается до кратности, меньшей 2...3.
Общие требования к выбору транзисторов по допустимым коллекторным токам и напряжениям, статическим коэффициентам усиления /121э5 рассеиваемой мощности, линейности вольт-амперных входных и выходных характеристик, частотным характеристикам остаются такими же, как и в аналогичных схемах звукоусилительной техники.
Существенным различием лишь является необходимость учета несимметрии работы каскада из-за присутствия индуктивности в нагрузке, в общем случае понижающей КПД бестрансформаторного двухтактного каскада вследствие завышенного значения напряжения питания Е. Применяемые в современных телевизорах двухтактные бестрансформаторные схемы отличаются довольно большим разнообразием как по способу возбуждения, так и исполнению выходной цепи. Наиболее характерные из них приведены на рис. 8.17.
Представленный на рис. 8.17,а выходной каскад с дополнительной симметрией имеет парные (комплиментарные) транзисторы, обладающие идентичными характеристиками, но разным типом проводимости. Как правило, такие транзисторы включаются по схеме с общим коллектором, обеспечивая глубокую отрицательную обратную связь и тем самым стабильность. Высокая линейность передачи
I К 2	ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
возбуждающего импульсно-пилообразного напряжения в цепи эмиттеров каскада обусловлена разносом входных характеристик эмит-терных выходных повторителей за счет смещающего термокомпенсирующего диода в базовых цепях. Тем самым исключается начальный участок квадратичной характеристики входного тока транзисторов, а сами транзисторы при этом работают в режиме АВ. Возбуждение осуществляется по параллельной схеме от общего источника.
На рис. 8.17,5 представлен выходной двухтактный каскад кадровой развертки, работающий в режиме АВ, с однотипными выходными транзисторами и последовательным возбуждением. Характерной особенностью его работы является то, что транзистор VT3 (ведомое плечо) работает только в первую половину прямого хода, возбуждаясь от коллекторного напряжения транзистора VT2 и пропуская ток заряда конденсатора С1 через катушку LK. В другую половину прямого хода конденсатор С1 (при запертом VT3) разряжается через диод VD1 и работающий в классе А транзистор VT2 и катушку отклонения LK. Схема эффективна и экономична, потому что, несмотря на различный характер работы транзисторов VT3 и VT2, ее общий режим работы соответствует классу АВ. Действительно, транзистор VT2 нагружается большим током во вторую половину прямого хода во время разряда конденсатора С1 и сравнительно малым током базы транзистора VT3 для его открывания в первой половине. Таким образом, обеспечивается двухтактность работы выходной цепи.
Наконец, на рис 8.17,в представлена известная в звукотехнике и характерная для портативных телевизоров черно-белого изображения схема выходного двухтактного каскада на однотипных транзисторах, сопряженная с двухтактным усилителем на разнополярных транзисторах. Как известно из теории усилительных устройств, эквивалентные характеристики верхнего и нижнего плечей, состоящих из пар VT2, VT4 и VT3, VT5, обладают высокой идентичностью, поэтому принято считать эту схему от входа VT2, VT3 аналогичной рассмотренной схеме рис. 8.17,а, но превосходящей ее по входной чувствительности вследствие усилительных транзисторов VT2, VT3. Возбуждение также осуществляется по параллельной схеме (от одного источника VT1).
Повышение эффективности выходного каскада. Увеличение КПД выходного каскада с бестрансформаторным выходом напрямую связано с уменьшением бесполезных потерь, обусловленных завышением напряжения источника питания Е из-за присутствия в качушке значительной реактивности, которая проявляется на обратном ходу развертки. Величина этого напряжения
Е =	+	+ 2С/ост.
Если каким-либо схемным решением возможно уменьшить или исключить из равенства составляющую то значительная часть
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
183
Рис. 8.18. Схема выходного каскада с отключением питания
напряжения источника (при малых UOCT) будет затрачиваться только на получение необходимого тока отклонения в катушках, в пределе достигая равенства
Е = IKR'K + 2С^ост-
Очевидно, что КПД при этом будет максимальным.
Рассмотрим приведенную на рис. 8.18 схему, использующую принцип свободных колебаний в отклоняющей катушке, отключенной во время обратного хода развертки от выходной цепи при помощи диода [27]. Как следует из рис. 8.18,а, выходной каскад, выполненный по известной схеме рис. 8.17,а, отличается от нее тем, что соединен с источником питания через прямосмещенный диод VD2, а выход генератора через конденсатор СЗ подключен к поделенной нагрузке R2, R1 предвыходного возбуждающего усилителя на транзисторе VT1. При указанных на рис. 8.18,а полярностях сигнала на электродах устройство работает следующим образом. Когда в конце прямого хода транзистор VT3 начинает закрываться в соответствии с управляющим напряжением на его базе, катушка LK развивает ЭДС самоиндукции (рис. 8.18,6), препятствуя уменьшению тока во время обратного хода. Эта ЭДС положительной полярности через конденсатор связи СЗ как усугубляющий фактор вместе с отпирающим напряжением от предвыходного усилителя VT1 быстро вводит транзистор VT2 в насыщение, уравнивая напряжение на его коллекторе с растущим напряжением самоиндукции на катушке. После достижения ЭДС величины, равной напряжению источника Е и более, диод VD2 оказывается запертым; нижний транзистор VT3 также заперт положительной полуволной напряжения. В результате катушка LK и емкость С2 через насыщенный (замкнутый) транзистор образуют последовательный колебательный контур. При правильно выбранной
184
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 8.19. Схема выходного
каскада с удвоением питания
емкости С2 вследствие накопленной энергии магнитного поля в катушке к концу прямого хода в контуре возникнут свободные колебания, за счет которых в первой половине обратного хода ток в катушке достигнет некоторого положительного значения из-за значительного затухания колебаний (шунтирование транзисторами VT2, VT3 и цепью обратной связи) меньшего, чем необходимый ток отклонения в кадровой катушке. Но поскольку полу период колебаний составляет только часть обратного хода, то за оставшееся время, так как на эмиттере VT2 будет поддерживаться управляющим напряжением по-прежнему напряжение источника Е, ток обратного хода нарастет по экспоненте до величины ZKmax. Варьируя параметры контура LKC2, можно регулировать в конечном счете общую длительность обратного хода в токе развертки при неизменном напряжении источника Е. Другими словами, при неизменной длительности обратного хода развертки рассмотренный прием с отключением питания позволяет уменьшить напряжение источника и существенно улучшить КПД. При значительных реактивностях в катушках с т 3 мс может быть достигнуто уменьшение напряжения источника питания до 50 %. Однако при т 1 мс эффективность этого приема весьма мала, так как при этом трудно обеспечить добротность колебательного контура и выигрыш получается малым.
Другим способом повышения экономичности выходного каскада кадровой развертки является широко применяющийся в последних разработках цветных телевизоров способ удвоения напряжения питания каскада на время обратного хода развертки. На рис. 8.19,а приведена схема с удвоением напряжения, из которой видно, что выполненный по одной из схем рис. 8.17 выходной каскад VT2, VT3 дополняется коммутирующим диодом VD, транзистором VT4 и на
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
185
копительным конденсатором С2, который за время прямого хода заряжается до напряжения источника Е, а во время обратного хода коммутирующими импульсами при помощи ключевого транзистора VT4 и диода VD присоединяется как вольтдобавочный источник к основному. Постоянная времени заряда конденсатора С2 через резистор R1 выбирается так, чтобы он за прямой ход зарядился до напряжения источника и величины его заряда при этом хватило бы на питание выходного каскада во время обратного хода. Во время действия коммутирующих импульсов, по длительности равных обратному ходу (см. рис. 8.19,6), открытый до насыщения транзистор VT4 (достаточно мощный по току для питания выходного каскада) подключает обкладку конденсатора С2 с положительным потенциалом к катоду диода VD. Тем самым запертый диод отключает коллектор VT2 от шины источника Е и позволяет включать последовательно с источником Е еще один эквивалент источника (заряженный до значения Е конденсатор С2). Таким образом, рассмотренная схема позволяет использовать источник питания с достаточно низким исходным напряжением и тем самым существенно увеличить КПД каскада. Очевидно, такая схема особенно эффективна в применении с катушками кадрового отклонения с малой т 1 мс.
Общее требование к транзисторам выходных каскадов этих двух рассмотренных схем — способность выдерживать увеличенное напряжение, приложенное к катушкам во время обратного хода.
Практическая схема генератора кадровой развертки. Как отмечалось в § 8.2, любая практическая реализация генератора кадровой развертки должна включать в себя задающий автогенератор, синхронизируемый кадровыми синхроимпульсами из полного видеосигнала, если это касается развертки в телевизионном приемнике. Зачастую схема автогенератора объединяется с генератором пилообразного напряжения, если применяется задающий генератор на базе фантастрона. Важно отметить, что в современных схемах телевизоров для получения высокой технологичности исключено применение блокинг-генераторов в задающих каскадах в пользу резистивноемкостных схем типа мультивибраторов или фантастронов. В зарубежных приемниках часто применяются автогенераторы на тиристорах и двухбазовых диодах, обладающих более высокой температурной стабильностью. Последнее очень важно, так как именно это свойство зачастую гарантирует высокое качество чересстрочного разложения.
В зависимости от типа выходного бестрансформаторного каскада и постоянной времени катушки в устройстве кадровой развертки должны быть предусмотрены генератор пилообразного напряжения (если автогенератор является мультивибратором) и формирователь такого управляющего напряжения выходного каскада, которое бы гарантировало протекание в отклоняющих катушках тока требуемой формы (например, с S-коррекцией) и необходимого размаха.
186
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 8.20. Обобщенная структурная схема кадровой развертки
Очевидно, применение отрицательных обратных связей в каскадах формирования и усиления способствует успешному решению такой задачи применительно к интервалу прямого хода, так как было показано ранее, что на прямом ходу устройство кадровой развертки представляет собой усилитель мощности. В соответствии с известными приемами регулирования и стабилизации усиления применяемые обратные связи могут быть множественными и достаточно многообразными по исполнению (местными и общими, частотнозависимыми и независимыми, по току и напряжению).
В обобщенном виде функциональная схема генератора кадровой развертки представлена на рис. 8.20. Основные элементы схемы, такие как ЗГ — автогенератор, ГПН — генератор пилообразного напряжения, ФУН — формирователь управляющего напряжения, ФОХ — формирователь обратного хода для повышения эффективности выходного каскада, ВК — выходной каскад любого рассмотренного вида, являются непременными составляющими практической схемы генератора современного черно-белого или цветного телевизора. Следует обратить внимание, что приведенная отрицательная обратная связь (ООС), как правило, является обязательным элементом для поддержания стабильности размера и линейности развертки, в то время как частотно-зависимая отрицательная обратная связь (ЧЗООС) имеет альтернативный характер и применяется, в частности, для S-коррекции тока отклонения соответствующим воздействием на формирующееся пилообразное напряжение. Если в формирователе управляющего напряжения применяются для этих же целей нелинейные цепи (например, диодные амплитудные ограничители), эта связь может отсутствовать.
Формирователь обратного хода в телевизорах 4-го и 5-го поколений («Горизонт», «Электрон»), как правило, представлен схемой удвоения питания (см. рис. 8.19), однако зарубежные модели цветных телевизоров широко используют и другой способ повышения эффективности выходного каскада на обратном ходу — способ с отключением питания (см. рис. 8.18).
Следует отметить, что в зависимости от типа ФОХ и постоянной времени катушек отклоняющей системы ОС форма возбуждающего напряжения на входе выходного каскада может варьироваться. Если в выходном каскаде не применяются средства для формирования тока обратного хода, т.е. ФОХ отсутствует, напряжение возбуждения
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
187
на выходном каскаде должно иметь импульсно-пилообразную форму в точном соответствии с постоянной времени кадровых катушек (см. § 8.2). Если применяется схема выходного каскада с отключением питания либо с удвоением напряжения питания, это требование значительно смягчается и в среднем можно возбуждать выходные каскады практически только пилообразным напряжением, так как импульсная часть напряжения на катушках создается внешней цепью ФОХ, как пояснялось на рис. 8.18, 8.19.
В заключение отметим, что представленная структурная схема практически легко реализуется на известных в импульсной и усилительной технике элементах, а с учетом высокой экономичности выходных каскадов за счет применения ФОХ может быть выполнена целиком по интегральной технологии. Например, микросхема К174ГЛ1А, рассчитанная на обслуживание черно-белых кинескопов с углом отклонения 90° и диагональю 31 см, имеет функциональное описание, представленное на рис. 8.20. За счет использования ФОХ с удвоением питания малая рассеиваемая мощность в 2...3 Вт требует небольшого радиатора и позволяет добиться существенного уменьшения габаритов всей развертки.
Гл а в а 9
СИНХРОНИЗАЦИЯ РАЗВЕРТЫВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
И ИСТОЧНИКОВ СИГНАЛА
9.1.	Общие положения
Развертывающие устройства ТВ системы должны работать синхронно и синфазно. Это требование выполняется принудительной синхронизацией, для чего на все развертывающие устройства в конце каждой строки и каждого поля подаются специальные синхронизирующие импульсы, которые заставляют срабатывать их в строго определенный момент. Способы синхронизации разверток передающих и приемных устройств разные.
Развертывающие устройства, работающие на телецентре, соединены с источником импульсов кабельными линиями. Для их синхронизации используются импульсы строчной частоты и частоты полей, подводимые соответственно к строчным и кадровым развертывающим устройствам. Для синхронизации развертывающих устройств приемников формируется имеющий весьма сложную форму сигнал
I <88
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
синхронизации приемников (ССП), который передается в одном общем канале с сигналом изображения. Кроме этого сигнала в сигнал изображения вводят гасящие импульсы, запирающие электронные лучи приемных и передающих трубок на длительность обратного хода по строкам и полям. Это необходимо, чтобы электронный луч во время обратного хода в передающих трубках не считывал зарядов и не оставлял следов на мишени, а в приемных трубках — чтобы не создавалась дополнительная засветка экрана и не снижался контраст изображения. Для преобразователей свет-сигнал и сигнал-свет, в которых не используется электронный луч, гасящие импульсы в принципе не нужны. Однако совместная эксплуатация разнообразного парка как элетронно-лучевых устройств, так и безлучевых обусловливает необходимость включения в телевизионный сигнал интервалов времени для реализации обратных ходов разверток.
Длительности обратных ходов развертки по строке и полю существенно различны. Поэтому гасящие импульсы представляют собой смесь относительно узких импульсов, следующих с частотой строк, и значительно более широких, следующих с частотой полей. В свою очередь, длительность гасящих импульсов приемной трубки должна быть больше длительности гасящих импульсов передающей трубки, так как при попеременной работе от разных источников сигнала с неодинаковой длиной соединительных кабелей могут возникнуть непредвиденные сдвиги сигналов изображения относительно сигнала синхронизации.
Таким образом, на ТВ центре формируются следующие сигналы: синхронизирующие импульсы строк, синхронизирующие импульсы полей, сигнал синхронизации приемников, гасящие импульсы приемной трубки, гасящие импульсы передающей трубки. Перечисленные сигналы далеко не исчерпывают номенклатуру сигналов синхронизации и управления, необходимых для нормального функционирования всех устройств ТВ центра. Однако по функциональной значимости остальные сигналы можно отнести к вспомогательным.
Сигнал синхронизации приемников создается на ТВ центре и передается к телевизорам по одному, общему с сигналом изображения каналу во время передачи гасящих импульсов. Вершины гасящих импульсов служат как бы пьедесталами, на которых располагаются импульсы синхронизации. Поскольку уровень гашения примерно соответствует уровню черного в сигнале, часто говорят, что синхронизирующие импульсы располагаются в области «чернее черного». При таком расположении импульсы синхронизации легко могут быть отделены от сигнала изображения обычным амплитудным ограничением.
Не менее важной задачей является разделение строчных синхронизирующих импульсов и импульсов синхронизации полей друг от друга. Для этого они должны отличаться либо по уровню, либо
ГЛАВА 9. Синхронизация развертывающих устройств
189
Кадровый Строчный гасящий гасящий импульс импульс
Уровень белого
Строчные
Уровень черного
Кадровый
синхронизирующие импульсы синхронизирующий импульс
Рис. 9.1. Полный ТВ сигнал с отличающимися по уровню синхронизирующими импульсами
Рис. 9.2. Разделение импульсов синхронизации с помощью цепей: а — дифференцирующей; 6— интегрирующей; в— форма сигналов
по длительности. В первом случае (рис. 9.1) это разделение также может быть осуществлено амплитудной селекцией. Однако из-за увеличения общего размаха сигнала значительно возрастает мощность радиопередатчика. Поэтому синхронизирующие импульсы делают разными по длительности (длительность строчных синхронизирующих импульсов значительно меньше длительности импульсов синхронизации полей). Разница в длительности строчных импульсов и импульсов полей может быть легко преобразована, например, с помощью дифференцирующих и интегрирующих цепей в разницу напряжений (рис. 9.2). Из рисунка видно, что дифференцирующая цепь выделяет строчные синхронизирующие импульсы, а интегрирующая — кадровые.
Выделение синхронизирующих импульсов полей с помощью интегрирующей цепи наряду с простотой обладает еще одним положительным качеством — хорошей помехоустойчивостью. Импульсы помех, имеющие меньшую, чем синхроимпульсы, длительность, фильтруются интегрирующей цепью. Недостатком такого выделения синхронизирующих импульсов является невозможность получе
190
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
ния крутого фронта интегрированных импульсов и, как следствие, возможную нестабильность момента синхронизации кадрового генератора.
9.2.	Форма сигналов синхронизации
При построчном разложении между двумя кадровыми синхронизирующими импульсами размещаются z строчных импульсов. Длительность кадрового импульса синхронизации в несколько раз больше периода строки Я (рис. 9.3). После прохождения сигнала ивх через дифференцирующую цепь кадровые синхронизирующие импульсы подавляются, и на выходе формируется сигнал ггдц, в котором положительные импульсы используются для синхронизации строчной развертки приемника. Следует обратить внимание на то, что во время прохождения кадрового синхронизирующего импульса на выходе дифференцирующей цепи строчные импульсы отсутствуют, и генератор строчной развертки ТВ приемника, оставаясь какое-то время без синхронизации, будет работать в автономном режиме. В результате при вхождении в синхронизм после окончания действия кадрового импульса несколько первых строк могут оказаться «сбитыми».
Для сохранения непрерывности следования строчных импульсов в кадровый синхронизирующий импульс вводят прямоугольные врезки, следующие со строчной частотой. Необходимо, чтобы срез (задний фронт) врезки совпадал с фронтом строчного импульса, который должен был бы быть в этом месте при отсутствии кадрового импульса. После дифференцирования такого сигнала для строчной синхронизации используются положительные импульсы, которые следуют без перерыва со строчной частотой (^дЦ на рис. 9.3).
Кадровые синхронизирующие импульсы выделяются интегрирующей цепью (узкие строчные синхронизирующие импульсы подавляются). Наличие врезок приводит к получению на выходе интегрирующей цепи «зубчатой» формы кривой ^ц. Такое искажение формы
Рис. 9.3. Сигналы синхронизации при построчной развертке
ГЛАВА 9. Синхронизация развертывающих устройств
191
Рис. 9.4. Нарушение идентичности синхронизирующих импульсов полей с врезками строчной частоты при построчной развертке
будет одинаковым у всех кадровых синхронизирующих импульсов. Поэтому при постоянном уровне срабатывания кадрового генератора развертки это не приведет к нарушению синхронизации.
При чересстрочном разложении число строк z в кадре нечетно, и между двумя следующими друг за другом синхронизирующими импульсами четных и нечетных полей размещается (т + 1/2) периодов строчной частоты г, где т — число целых строк в одном поле. Эта одна вторая периода строчной частоты обусловливает разный временной сдвиг строчных врезок относительно синхронизирующих импульсов четного и нечетного полей: в импульсе нечетных полей время от фронта импульса до первой врезки равно длительности почти целой строки (за вычитанием длительности врезки), а в импульсе четных полей это время составляет половину длительности строки (рис. 9.4). Таким образом форма синхронизирующих импульсов четных и нечетных полей оказывается неодинаковой. Из-за этого форма интегрированных импульсов для четных и нечетных полей также будет различной. Это их различие хорошо видно на рисунке при совмещении обоих интегрированных импульсов на одном графике.
При синхронизации кадрового генератора такими импульсами может произойти нежелательный сдвиг Ai в моментах начала обратных ходов развертки четных и нечетных полей (см. рис. 9.4). Наличие сдвига может приводить к заметному нарушению чересстроч-
192
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 9.5. Кадровая синхронизация с врезками двойной строчной частоты
ности развертки, проявляющемся в частичном слипании строк двух полу кадров (так называемое «спаривание» строк).
Спаривание строк ухудшает качество изображения. Становится заметной структура строк, уменьшается четкость по вертикали. Поэтому необходимо так изменить форму синхронизирующих импульсов, чтобы исчезло различие между четными и нечетными импульсами полей и сдвиг Д1 стал равен нулю. Для устранения различия в форме синхронизирующих импульсов четных и нечетных полей в них делают врезки с двойной строчной частотой (рис. 9.5). Форма четных и нечетных импульсов синхронизации полей в этом случае становится как до, так и после интегрирования идентичной.
Во время действия синхронизирующего импульса полей в канал строчной синхронизации импульсы поступают с удвоенной частотой. Для устойчивой синхронизации генератор импульсов строчной развертки настраивают так, чтобы частота его колебаний в режиме без синхронизации была ниже частоты строк. При этом, если амплитуда импульсов синхронизации не чрезмерно велика, генератор не будет реагировать на дополнительные импульсы, и во время их передачи он работает в режиме деления частоты на 2.
Как следовало из рис. 9.5, при полной идентичности синхронизирующих импульсов полей импульсы после интегрирования получались также одинаковыми. Однако при более строгом рассмотрении процессов следует заключить, что совпадение интегрированных импульсов не является все же точным. На интегрирующую цепь поступают наряду с синхронизирующими импульсами полей строчные синхронизирующие импульсы. От каждого строчного импульса конденсатор получает определенный заряд. Так как строчные импульсы (на рис. 9.5 отмечены кружками) в четных и нечетных полях рас-
ГЛАВА 9. Синхронизация развертывающих устройств
193
Рис. 9.6. Нарушение идентичности начальных участков интегрированных импульсов из-за влияния строчных синхронизирующих импульсов
полагаются на разных временных интервалах по отношению к синхронизирующим импульсам полей, то они, естественно, в четных и нечетных полях по-разному влияют на ход кривой формирования заряда на конденсаторе.
Рассмотрим нарушение идентичности возрастающих участков кривой интегрирования. На рис. 9.6 в увеличенном масштабе изображены участки кривых, обведенные кружками на рис. 9.5. В то время как в синхронизирующих импульсах нечетных полей (сплошная линия на графике -ииц) остаточный заряд конденсатора от последнего строчного импульса почти равен нулю, в импульсах четных полей он значителен (штриховая линия). Начальные условия интегрирования кадровых импульсов в нечетных и четных полях получаются различными, и это также приводит к нежелательному временному сдвигу Д2. В этом случае он мал (Д2 < Д1)> но достаточен, чтобы нарушить регулярность развертки.
К нарушению идентичности начальных условий интегрирования приводит и наличие строчных импульсов, следующих за синхронизирующими импульсами полей. На рис. 9.5 видно, что разряд конденсатора в четном поле несколько запаздывает (штриховой участок спадающей части ииц). Из-за этого к началу следующего синхронизирующего импульса полей в четных и нечетных полях на конденсаторе остаются различные напряжения. Из-за большого промежутка времени между соседними импульсами полей этот остаток заряда сказывается еще меньше, чем остаток от последнего строчного импульса перед импульсом полей, но пренебрегать им не рекомендуется. Чтобы избежать разницы в форме импульсов после интегрирования, достаточно до и после синхронизирующих импульсов полей ввести по несколько импульсов, следующих с двойной строчной частотой. Такие импульсы называют уравнивающими. Чем больше уравнивающих импульсов, тем точнее может быть выдержано условие идентичности интегрированных импульсов.
Таким образом, для получения устойчивой чересстрочной раз-
13
194
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Строчные синхронизирующие
< Н импульсы
Начало нечетного поля
r\hhhr\NNNt\
Я/2
Начало четного поля
h h К h
Уравнивающие импульсы
h N N
Импульс кадровой синхронизации
Уравнивающие импульсы
h
Н
К К
Л
Рис. 9.7. Сигнал синхронизации приемника при чересстрочной развертке
вертки приходится усложнять форму синхронизирующего импульса полей (рис. 9.7). Моменты синхронизации строчной развертки для наглядности отмечены знаками «пилы». Длительность импульса синхронизации кадровой развертки и число уравнивающих импульсов до и после него выбирают в зависимости от требований к точности синхронизации. Период строчной развертки обозначен на рисунке буквой Н.
Отечественным стандартом длительность импульса кадровой синхронизации определяется величиной (160 мкс), а длительность уравнивающих импульсов берется в два раза меньше длительности строчных синхронизирующих импульсов. Стандартом установлено, что число передних, задних уравнивающих импульсов, а также импульсов, составляющих сигнал синхронизации полей, должно быть равно пяти.
Импульсы синхронизации расположены на площадках гасящих импульсов и составляют 43 % размаха сигнала изображения от уровня черного до уровня белого. Помещаются они не в середине гасящих импульсов, а несколько ближе к их левому краю. Для работы развертывающих устройств желательно, чтобы синхронизирующие импульсы располагались как можно ближе к левому краю гасящих импульсов. Действительно, в момент прихода синхронизирующего импульса в приемном устройстве начинается обратный ход развертки. На все время обратного хода экран должен быть погашен гасящим импульсом. Если синхронизирующий импульс сдвинут вправо, то на обратный ход луча приемной трубки будет отведено меньше времени. При превышении этого времени вследствие каких-либо причин обратный ход луча на экране не будет полностью погашен. С другой стороны, нельзя расположить строчные синхронизирующие импульсы непосредственно у левого края гасящего импульса. Сдвиг фронта строчного синхронизирующего импульса вправо необходим для предотвращения влияния содержания передаваемого изображения на форму синхронизирующего импульса. Этот сдвиг, образующий уступ
ГЛАВА 9. Синхронизация развертывающих устройств
195
перед началом строчного синхронизирующего импульса, должен заведомо превосходить длительность переходных процессов в сравнительно узкополосном канале синхронизации. Полоса пропускания канала синхронизации в приемниках составляет 2...3 МГц, и, следовательно, длительность нестационарных процессов равна приблизительно 0,5 мкс; сдвиг импульса, образующего уступ перед строчным синхронизирующим импульсом, таким образом, не может быть меньше 0,5 мкс; стандартом установлено его значение 1,5 мкс.
На уступе кадрового гасящего импульса, перед синхронизирующим импульсом полей должны быть, расположены пять уравнивающих импульсов. Этим и определяется длительность уступа на кадровом импульсе (2,5Я).
Итак, в сигнале синхронизации телевизионных приемников наиболее сложным по форме является сигнал кадровой синхронизации. Его форма, принятая отечественным стандартом, а также большинством европейских стран и США, является наиболее совершенной. При ее установлении были учтены все факторы, даже в незначительной степени влияющие на точность синхронизации. Такая форма позволяет получить хорошее качество чересстрочной развертки даже при наиболее простом способе разделения сигналов - с помощью интегрирующих и дифференцирующей цепей.
9.3.	Синхронизация генераторов электрических колебаний
В теории колебаний методы синхронизации генераторов электрических колебаний разделяются на две группы: захватывание частоты колебаний генератора и параметрическая синхронизация. В телевизионной технике захватывание частоты автогенератора и параметрическую синхронизацию соответственно называют непосредственной и инерционной синхронизацией.
При непосредственной синхронизации импульсы воздействуют на автогенератор, непосредственно навязывая ему вынужденные колебания с определенными частотой и фазой. Наиболее просто непосредственная синхронизация реализуется при использовании в качестве задающих генераторов мультивибраторов, блокинг-генераторов и других релаксационных генераторов. Непосредственная синхронизация при реализации проще инерционной. Однако в телевидении она используется не всегда.
Вспомним, что по линии связи между ТВ центром и приемником, если не учитывать звукового сопровождения, передаются два сигнала: сигнал изображения и сигналы синхронизации разверток ТВ приемника. Наличие в этой линии помех по-разному сказывается на сигналах изображения и синхронизации. Если синхронизация развертывающих устройств не нарушается, то изображение можно
I.T
I 96
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Синхронизирующие импульсы
Рис. 9.8. Структурная схема системы ФАПЧ
получить и при очень больших помехах, при нарушении синхронизации — даже при малых помехах практически вообще невозможно синтезировать изображение.
Помехи в радиоканале неодинаково сказываются на синхронизации кадровой и строчной разверток. Синхронизация кадровой развертки меньше подвержена влиянию импульсных помех, так как синхронизирующие импульсы полей выделяются из синхросмеси (так часто называют сигнал синхронизации приемника) с помощью интегрирующей цепи, являющейся фильтром нижних частот и подавляющей импульсные помехи. Дифференцирующая цепь, выделяющая строчные синхронизирующие импульсы, не может защитить генератор строчной развертки от импульсных помех, и канал строчной синхронизации оказывается значительно менее помехозащищенным, чем канал кадровой синхронизации. Поэтому в первую очередь принимают меры по защите от помех канала строчной синхронизации. Для этого в нем используется инерционная синхронизация.
Метод инерционной синхронизации автогенератора — параметрический. Под воздействием внешнего сигнала изменяется тот или иной параметр генератора, определяющий частоту и фазу его колебаний. Этим параметром может быть не только элемент схемы генератора, но и питающие его напряжения. Параметр генератора, используемый для синхронизации колебаний, управляется с помощью системы автоматического регулирования, получившей в телевидении название фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). В литературе применяется также аббревиатура АПЧиФ — автоматическая подстройка частоты и фазы. Структурная схема ФАПЧ приведена на рис. 9.8.
Синхронизирующие импульсы и колебания синхронизируемого генератора строчной развертки (снимаемые, например, с задающего генератора или с выходного каскада) поступают на импульсный фазовый детектор, где сравниваются их фазы и вырабатывается выходное напряжение, пропорциональное разности мгновенных значении этих фаз. Из-за импульсного характера поступающего на детектор сигнала выходное напряжение получается также импульсным. Поэтому после детектора устанавливается интегрирующий элемент (фильтр нижних частот), на выходе которого образуется постоянное напряжение с величиной и знаком, соответствующими разности фаз синхронизирующих импульсов и колебаний генератора. Это напряжение, воздействуя на управляемый параметр автогенератора, пе
ГЛАВА 9. Синхронизация развертывающих устройств
197
рестраивает частоту его колебаний, обеспечивая необходимую синхронизацию.
Интегрирующий элемент в значительной мере подавляет влияние хаотических помех, так как среднее изменение фазы, вызванное такими помехами, за достаточно большой промежуток времени равно нулю.
Применение системы ФАПЧ позволяет обеспечить не только высокую помехоустойчивость, но и удобство установки любого заданного значения фазы автогенератора. В частности, регулировкой можно в автогенераторе добиться опережения по фазе строчных синхронизирующих импульсов, что очень важно, например, в устройствах строчной развертки, построенных на транзисторах (см. гл. 8).
9.4.	Формирование сигналов синхронизации
Для получения синхронизирующих и управляющих импульсов на передающей стороне системы используется специальное устройство — синхрогенератор, с помощью которого формируются импульсы с требуемыми формой и временными параметрами. Число независимых друг от друга выходов для каждого вида импульса устанавливается в соответствии с числом потребителей на ТВ центре. Эти задачи решаются при выполнении синхрогенератором следующих функций. В задающем устройстве (хропизаторе) генерируются колебания, между которыми устанавливается жесткая связь по частоте и из которых впоследствии будет сформирована необходимая номенклатура импульсов. В формирующем устройстве создаются импульсы требуемых формы и временных сдвигов между ними. В устройствах согласования и распределения импульсов каждый из видов импульсов распределяется по нескольким кабельным линиям, соединяющим синхрогенератор с многочисленными потребителями.
Хронизатор синхрогеператора состоит из задающего генератора и формирователя набора (сетки) опорных частот. Частота задающего генератора определяется стандартом развертки. При построчной развертке частота кадров /п, число строк в кадре z и частота строк fz связаны простым соотношением fz = fnz = nz (n — число кадров в секунду), которое определяет структуру задающей части (рис. 9.9). С помощью ряда делителей строчная частота fz делится на г, в результате чего на выходе получается сигнал с кадровой частотой fn. Таким образом, частоты fn и fz жестко связаны между собой и обеспечивают постоянство числа строк в каждом кадре изображения.
При чересстрочной развертке каждый кадр изображения состоит из двух полей. Частота fan, с которой работает кадровая развертка, оказывается вдвое больше, чем частота кадров, т.е. f2n = '2fn- Эта частота связана с числом строк в одном поле и частотой строк соотношением fz = 0,5£/2п-
Чтобы получить частоту полей f2n из частоты строк fz, необходимо строчную частоту разделить на z/2. т.е. на число строк в одном
198
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Задающий генератор f:
Делитель на z
А
Рис. 9.10. Структурная схема задающего устройства синхрогенератора при чересстрочной развертке
Рис. 9.9. Структурная схема задающего устройства синхрогенератора при построчной развертке
поле. Но при чересстрочной развертке число строк в кадре z нечетное и z/2 соответственно — дробное. Простых способов точного деления частоты с дробным коэффициентом деления не существует. Поэтому поступают следующим образом. Задающий генератор работает на удвоенной частоте строк 2fz (рис. 9.10). Эта частота делится на целое число г, и на выходе устройства получается частота полей /2п. Для получения частоты строк fz частоту задающего генератора 2fz делят на 2. С выхода задающего устройства, таким образом, снимаются три колебания: двойной строчной частоты 2Д, строчной fz и частоты полей /2п.
Значение частоты колебаний задающего генератора, равное двойной строчной частоте, является минимально возможным. В современных синхрогенераторах, как показано ниже, для обеспечения работы формирующего устройства необходима широкая номенклатура импульсов с разными частотами, значительно превышающими строчную или двойную строчную частоту. Значения этих частот колеблются от сотен килогерц до нескольких мегагерц. Тем не менее из приведенного следует, что частота задающего генератора должна быть кратной fz при построчной развертке и 2fz — при чересстрочной.
Стабильность работы задающих генераторов должна быть достаточно высока, чтобы обеспечить в соответствии со стандартом погрешность частоты строк не более 0,016 Гц, что в пересчете в относительную погрешность составит величину 6 = 10“б.
Обобщенная структурная схема современного синхрогенератора (рис. 9.11) претерпевает определенные изменения в зависимости от режима работы синхрогенератора. Существует три основных режима. работы синхрогенератора: автономный, ведомый и режим централизованной синхронизации. В автономном режиме в качестве задающего генератора в хронизаторе используется высокостабильный (кварцованный) автогенератор. Переключатель В1 устанавливается в этом случае в положение «Авт». Задающий генератор работает с высокой стабильностью, определяемой стандартом. Этот режим применяется, когда телевизионная программа создается аппаратурой,
ГЛАВА 9. Синхронизация развертывающих устройств
199
Сигнал ошибки
Рис. 9.11. Обобщенная структурная схема синхрогенератора: ФСС1/1, ФКС1/1, ФССП, ФСГ, ФСС — формирователи сигналов строчных синхронизирующих, кадровых синхронизирующих, синхронизации приемника, гашения, служебных соответственно; ВК — выходные каскады
обслуживаемой одним общим синхрогенератором. В создании телевизионной программы на крупном телевизионном центре используется очень большой объем оборудования, размещенного в различных аппаратных. Оно должно работать строго синхронно и синфазно, т.е. от одних и тех же синхронизирующих импульсов. Это требование означало бы необходимость иметь на телевизионном центре сложнейшую разветвленную сеть распределения синхросигналов от одного синхро-генератора. На практике поступают иначе. В каждой из аппаратных телецентра имеется свой синхрогенератор, структура которого видна из рис. 9.11. Каждый из синхрогенераторов обслуживает оборудование только данной аппаратной. Если при создании телевизионной программы требуется участие нескольких аппаратных, то их синхрогенераторы переводятся в режим централизованной синхронизации (переключатель В1 в положении «ССЦ»). В этом случае задающие
200
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
генераторы синхрокомплектов отключены, а на вход формирователей опорных частот поступает по кабелю сигнал от одного, общего для телецентра задающего генератора. Таким образом, вместо сложной разветвленной сети распределения синхросигналов каждая аппаратная работает от одной линии, по которой поступает исходная, общая для всех частота.
Особые условия возникают при организации телевизионной программы несколькими, далеко расположенными друг от друга источниками сигнала. Например, когда программа компонуется из сюжетов, доставляемых с передвижных телевизионных станций. Телевизионные сигналы с этих внешних источников из-за несинхронности нельзя микшировать с сигналом вещательной станции, в них нельзя вводить ее титры и видеоэффекты. Это сужает творческие и художественные возможности создателей комбинированной программы. Кроме того, несинхронность сигналов местного и внешнего источников при их смене будет приводить к скачкам фазы синхронизирующих импульсов, что обусловит возможные кратковременные сбои синхронизации в телевизионных приемниках, нарушит работу в линиях связи и ретрансляторах, устройствах видеозаписи и др. Таким образом, необходимо синхронизировать различные источники программы. Для этого синхрогенератор основного источника ставится в автономный режим. Из полученного от внешнего источника по радиоканалу или другой линии связи телевизионного сигнала выделяется с помощью амплитудного селектора сигнал синхронизации приемника ССП, который подается на фазовый детектор системы ФАПЧ, имеющийся в синхрогенераторе. На второй вход этого детектора подаются импульсы ССП от основного синхрогенератора. Происходит сравнение двух сигналов синхронизации: от местного и внешнего источников. Системой ФАПЧ вырабатывается сигнал ошибки, который представляет собой постоянное или медленно меняющееся напряжение. Этот сигнал по отдельному каналу связи, например по обычной телефонной линии, направляется обратно к внешнему источнику программы и подается на вход перестраиваемого генератора опорной частоты хронизатора. Переключатель В1 в хронизаторе внешнего источника должен быть переведен в положение «Вед». Сигнал ошибки, воздействуя на генератор, подстраивает его частоту и фазу до тех пор, пока ошибка не станет равной нулю, т.е. до равенства частот и фаз синхроимпульсов основного и внешнего источников. Внешний источник, таким образом, как бы «ведется», отчего и режим работы внешнего синхрогенератора называется ведомым.
На рис. 9.11 в качестве примера изображены элементы двух систем ФАПЧ, позволяющих подчинить основному синхрогенератору два внешних источника программы. Возможен вариант ведомого режима работы синхрогенератора, в котором источник местной программы должен быть синхронизирован источником внешней программы без использования отдельного канала синхронизации между ни
ГЛАВА 9. Синхронизация развертывающих устройств
201
ми. В этом случае сигнал ССП внешнего источника должен быть подан в соответствии со схемой рис. 9.11 на вход ФАПЧ2. а полученный сигнал ошибки, скоммутированный переключателем В2 на собственный генератор опорной частоты, подстроит частоту и фазу местного источника под внешний источник. Этот режим оказывается эквивалентным режиму синхронизации телевизионного приемника. Использован он может быть, когда в программу местного источника необходимо включить только фрагменты программы внешнего источника, а не осуществлять его полную ретрансляцию.
9.5.	Синхронизация источников сигнала путем временного преобразования
Как отмечалось в предыдущем разделе, все ТВ сигналы источников программ телевизионного центра и сигналы, поступающие извне (с репортажных установок, передвижных станций, от других телецентров и пр.), должны быть синхронны и синфазны. Только при этом условии возможно создание комбинированных из этих сигналов программ, бесперебойная работа развертывающих устройств приемников при коммутации местных и внешних сигналов. При этом рассматривались способы синхронизации источников сигналов с помощью синхронизирующих импульсов. Эти способы характеризуются существенным недостатком: при значительной удаленности источников сигнала друг от друга надежность работы систем ФАПЧ, включающих в себя продолжительные по длине каналы передачи фазовой ошибки, дороги и недостаточно надежны.
Однако возможен и практически применяется еще один способ синхронизации, основанный на временном преобразовании ТВ сигналов от автономно (независимо) работающих источников.
Устройство, в котором решается данная задача, называется цифровым телевизионным синхронизатором. Его работа основана на преобразовании входного сигнала в цифровую форму и записи его в кадровую память по адресам, формируемым для каждого дискретного отсчета изображения. Последовательность записи по сформированным адресам периодически повторяется, и таким образом, содержимое ЗУ постоянно обновляется, и старая информация заменяется новой. При считывании этой информации из памяти по адресам, которые формируются в соответствии с опорными (местными) сигналами синхронизации, на выходе синхронизатора формируется ТВ сигнал, синхронный с местными источниками сигналов. Частота и фаза синхронизации выходного сигнала не зависят от частоты и фазы сигнала на входе синхронизатора, что достигается благодаря относительной независимости операций записи и считывания из запоминающего устройства.
Упрощенная функциональная схема цифрового синхронизатора представлена на рис. 9.12. На его вход поступает сигнал от внешнего источника, который должен быть синхронизирован с частотой
202
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
записи	считывания
Сигнал синхронизации
Устройство управления
Сигнал синхронизации
Рис. 9.12. Структурная схема цифрового синхронизатора сигналов
местного сигнала, называемого в данном случае опорным. В качестве опорного может служить как полный ТВ сигнал, так и сигнал синхронизации.
В АЦП входной аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму и поступает в запоминающее устройство ЗУ. При этом для согласования высокой скорости цифрового потока на выходе АЦП и быстродействия элементов памяти сигнал может быть демультиплексирован. Дискретизация входного сигнала в АЦП производится с частотой тактовых импульсов, вырабатываемых в формирователе 7, который «ведется» внешним сигналом. В этом же формирователе создаются импульсы, определяющие моменты записи, и коды адресов памяти, по которым производится запись.
Считывание осуществляется с частотой и фазой, определяемыми местным сигналом. Соответствующие импульсы с тактовой частотой, частотой считывания и коды адресов, по которым производится считывание, создаются формирователем 2. Считанный из ЗУ цифровой сигнал приобретает аналоговую форму в ЦАП. Если при записи сигнала применялось демультиплексирование, то после считывания должен быть использован обратный процесс мультиплексирования.
Важным моментом в синхронизаторе является реализация независимости процессов записи и считывания, поскольку решается задача синхронизации абсолютно независимых источников сигнала. Для этого процессы записи и считывания в каждой из секций ЗУ должны быть разнесены во времени. Обычно используют следующий алгоритм считывания. Если разность фаз между кадровыми синхронизирующими импульсами не превышает времени записи одной секции памяти, то считывание из секции, в которой производится запись, невозможно и его осуществляют из других секций таким образом, что если в данный момент записывается нечетное поле, то считывается четное, и наоборот. Если разность фаз превысила время записи одной секции, то считывать можно то же поле, которое записывается в данный момент, т.е. доступ к секции, в которой информация уже обновилась, открыт. Команды на запись и считывание вырабатываются устройством управления, в котором анализирует
ГЛАВА 9. Синхронизация развертывающих устройств	203
ся взаимное временное положение сигналов синхронизации входного и опорного сигналов.
Устройство управления по этому признаку с помощью коммутатора переключает режим работы соответствующих секций памяти.
Кроме рассмотренной основной функции синхронизации внешних источников программ в синхронизаторе можно осуществлять и специальную обработку ТВ сигнала (получение «стоп-кадра», видеоэффекты, преобразование стандартов разложения). Наконец, синхронизатор позволяет улучшить качество приема ТВ сигналов наземными станциями спутниковой связи благодаря возможности коррекции эффекта Доплера, возникающего при работе с удаляющимся или приближающимся к станции приема спутником. В результате перечисленных и некоторых других преимуществ временного преобразования перед способом синхронизации импульсными сигнгглами цифровые синхронизаторы сигналов получили значительное распространение на телевизионных центрах.
Ь III СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО ---1 ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Гл а в а 10
МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ О ЦВЕТЕ
10.1.	Понятие о цвете
Ощущение цвета есть результат субъективного восприятия 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 380...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 неодинаково. 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 диапазона либо является существенно неравномерным. Предельным случаем неравномерного излучения можно считать излучение в малом интервале длин волн ДА, 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
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
205
Таблица 10.1
Длина волны, нм	780...605	605...590	590...560	560...500	500...470	470...430	430...380
Цвет	Красный	Оранжевый	Желтый	Зеленый	Голубой	Синий	Фиолетовый
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 спектрального 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 излучения.
Перечисленные параметры: светлота, цветовой тон, насыщенность являются субъективными, так как не могут быть объективно измерены. Однако им соответствуют физические параметры излучения: яркость L, доминирующая (преобладающая) длина волны Ад 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. 10.1 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.
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 цвета смеси источников излучения красного (Ак = 700 нм), зеленого (А3 = 500 нм). Два различных по спектральному составу излучения, создающих ощущение одного и того же цвета, называются метаметрической парой.
206
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Количество различимых глазом цветов очень велико и зависит от многих факторов, таких как условия наблюдения, 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. Для этого разрабатываются системы цветовых шкал в виде таблиц и цветовых атласов, которые предназначены для безынструментального определения цвета рассеивающей поверхности.
Наиболее известны цветовые атласы Оствальда, Менселла и Раб-кина [28]. Их общий недостаток — неточность. Цветовая система, позволяющая дать наиболее точное численное описание цвета, была создана на основе теоретических и экспериментальных работ многих поколений ученых, осветивших природу цветового зрения и положивших в основу построения науки об измерении цвета — колориметрии — теорию трехкомпонентного цветового зрения и понятие о трехмерном цветовом пространстве.
10.2.	Фотометрия и свойства зрительного аппарата человека
Излучение есть перенос энергии от источника к поглощающему телу. Количественной мерой излучения является лучистая энергия, а мощность переноса лучистой энергии, т.е. энергии, переносимой излучением в единицу времени, называют лучистым потоком Ф, единицей которого является ватт (Вт). Спектр лучистого потока имеет различный характер: может быть линейчатым (частным случаем такого спектра является поток монохроматических излучений), сплошным, непрерывным или смешанным.
Спектральную характеристику лучистого потока удобно характеризовать с помощью так называемой спектральной плотности лучистого потока, Вт/нм:
4>х = d^/dX.	(10.1)
Для примера на рис. 10.1 приведена спектральная плотность источника белого света типа С. На этом рисунке заштрихованная часть, заключенная между абсциссами А и А 4- dX и высотой Ф(А), имеет значение с/Ф, соответствующее данной А. Площадь под кривой Ф(А) определяет величину лучистого потока
Г ^2
Ф = / Ф(А)(/А.
7д1
Спектральный состав излучения, воздействующего на светопри-емники, зависит не только от спектральной плотности потока, но и
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
207
Рис. 10.1. Спектральная интенсивность источника белого света типа С
92(A) = d$/dX
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 А, нм
от спектральных свойств тел. В зависимости от этих свойств тело может частично или полностью 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 (р), пропускания (т) и поглощения (а). Функции спектральных коэффициентов отражения р(А) и пропускания т(А) определяются следующими выражениями:
р(А) = ФДА)/Ф(А);	(10.2)
Т(А) = ФТ(А)/Ф(А),	(10.3)
где Фр и Фт — отражаемый и пропускаемый лучистые потоки соответственно.
Таким образом, если поток излучения, падающий на объект
fA2
Ф = / Ф(А) с/А,	(10.4)
Jxr
то отраженный от объекта или пропущенный им лучистый поток запишется соответственно как
гА2
ФР = / р(А)Ф(А) rfA;	(10.5)
JAi
/*А2
Фг = / т(А)Ф(А)(/А.	(10.6)
Jxr
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
208
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 10.2. Стандартная относительная видность глаза
называемую стандартную относительную видность глаза V(A):
/*780
F=Vm(X) / Ф(А)К(А)ЛА.	(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. Коэффициент Vm(A), являющийся максимумом кривой стандартной относительной видности с длиной волны А = 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 А = 555 нм равен 683 лм светового потока. Следовательно, Кп(А) = 683, и выражение для светового потока принимает следующий вид:
/*780
F = 683 / Ф(А)К(А)с/А.	(10.8)
J380
Пределы интегрирования выбраны в соответствии с минимальным значением ординат К(А).
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.
10.3.	Колориметрическое определение цвета
Физиологические основы цветового зрения, базируются на теории трехкомпонентного зрения, выдвинутой впервые в 1756 г М.В. Ломоносовым. Согласно этой теории допускается присутствие на сетчатке глаза трех видов нервных аппаратов, каждый из которых обладает преимущественной чувствительностью к определенному участку видимого спектра— коротковолновому (синему), средневолновому (зеленому), длинноволновому (красному).
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
209
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 разной 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 вызывают ощущение большого числа цветовых оттенков от окружающих предметов. Эта теория 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 цветов. Бинокулярным смешением называется смешение двух или нескольких цветов путем раздельного раздражения левого и правого глаза разными цветами, в результате чего возникает ощущение нового цвета.
Основной закон смешения утверждает, что любые четыре цвета находятся в линейной зависимости. Иначе говоря, любой цвет может быть выражен через любые три взаимно-независимых цвета:
f,F = rfR + g,G + b,B;	(10.9)
здесь f'F — излучение произвольного состава, единица которого обозначена через F, а количество единиц — через R, G, В — единичные количества основных цветов; г', д', V — множители, обозначающие количества излучений, соответствующих цветам 7?, G, В, или «модули этих цветов».
Основными цветами называются взаимно-независимые цвета, которые нельзя получить смешением двух других, т.е. они не могут
210
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
быть связаны уравнениями типа
r'R = g'G 4- b'B- g'G = r'R, 4- b’B- b'B = r'R 4- g'G. (10.10)
Примером взаимно-независимых цветов являются красный (7?), зеленый (G) и синий (В).
Необходимо отметить, что для чистых спектральных цветов невозможно 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 4- g'G 4- b'B.	(10.12)
Таким образом, при описании некоторых цветов с помощью уравнения (10.9) коэффициенты г', д', Ь' уравнения (10.9) могут иметь отрицательные значения. Это позволяет расширить применение формулы цветового уравнения (10.9), показывающего, что в общем случае цвет определяется тремя независимыми переменными г', д', Ь', что подтверждает его трехмерность.
Знание численных значений цветовых коэффициентов г', д', Ь' полностью определяет воздействующее на глаз излучение, и количественно, и качественно. Для определения только качественной характеристики светового потока цветности F достаточно знать не абсолютные, а относительные количества основных цветов г, д, Ь:
(10.13)
где т = г' 4- д' 4- Ь' — цветовой модуль.
Очевидно, что
г 4- д + 6 = 1.	(10.14)
Символы г, д, b носят название координат цветности. В уравнении (10.9) множитель f' указывает на количество цвета F, необходимое для обеспечения цветового равенства. Известно, что яркость смеси равна сумме яркостей смешиваемых цветов, т.е.
f'=r'+g'+b' = т.	(10.15)
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
211
Тогда, разделив (10.9) на цветовой модуль т, получим
F = rR + gG + bB.	(10.16)
Цвет F носит название единичного цвета; сумма его координат 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.
10.4.	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', Ь', 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
П = а'А + УВ + УС.	(10.17)
В этом уравнении цвет смеси определяется суммарным вектором D, имеющим координаты а1, У, d в системе координат АВС, Координаты каждой точки цветового пространства численно равны проекции вектора цвета на координатные оси. Начало всех векторов цвета расположено в общей точке 0, являющейся началом системы координат цветового пространства, которому соответствует черный цвет (рис. 10.3). В качестве координат цветового пространства могут быть выбраны направления векторов любых трех линейно независимых цветов. Для обеспечения этого условия векторы выбранных основных цветов не должны лежать в одной плоскости, и, следовательно, объем параллелепипеда, построенного на них, не равен нулю. Вследствие того что все векторы цвета имеют общее начало, их можно рассматривать как радиусы — векторы точек, каждая из которых однозначно определяет 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 2тг, 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 колориметрической системе, построенной 14*
212
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 10.3. Вектор цвета и его компоненты
на векторах трех основных цветов А, В, С, 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 (Л — 700 нм), а с другой — синим (Л = 400 нм) излучением, поэтому поверхность спектральных цветов незамкнута. Проведя плоскость через векторы монохроматических цветов с Л = 400 нм и Л = 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. Цвета, векторы которых лежат вне конуса реальных цветов, в природе не существуют, вследствие чего их принято называть нереальными цветами. При пересечении цветового пространства плоскостью образуется цветовой треугольник АВС, в котором координаты цветности монохроматических излучений изображаются точками на кривой, называемой спектральным локусом.
Единичная плоскость в цветовом пространстве. Выше указывалось, 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 ка
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
213
ждого основного цвета к сумме модулей основных цветов представляет собой соответствующие трехцветные коэффициенты или координаты цветности:
а'/т' = a; bf /т = Ь; с'/т = с,
где т = а1 + b' + d, а сумма трехцветных коэффициентов а + b + с = 1, то координаты любого единичного 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 А, В, С. Следовательно, плоскость пересекающая оси координат в точках Ao (a' = 1; Ь' = 0; с' = 0), Во (а' = 0; V = 1; с' = 0), (70 (а' = 0; Ь' = 0; d = 1) (см. рис. 10.4), является геометрическим местом точек единичных цветов в цветовом пространстве АВС, так как сумма координат любой точки этой плоскости равна единице. Каждой точке плоскости единичных цветов соответствует определенное направление цветового вектора, пронизывающего в этой точке плоскость.
Следовательно, цветности любого излучения соответствует единственно возможная точка этой плоскости. Треугольник AqBqCq, образованный следами пересечения единичной плоскости с координатными плоскостями системы, называется цветовым треугольником и является равносторонним, а положение точки в треугольнике определяет цветность описываемого цвета. Если положение точки внутри равностороннего треугольника задано, то перпендикуляры, опущенные из нее на противоположные стороны вершин АВС, определят непосредственно трехцветные коэффициенты (координаты цветности) а, Ь, с, сумма которых равна единице (рис. 10.5). Если же заданы координаты цветности а, Ь, с, то положение точки в треугольнике найдется 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 В) описывается уравнением Фя = 1/3А 4- 1/ЗВ + 1/3(7, а например, в точке D цветность Фг> = 0, ЗА + 0,5(7 + 0,2В.
10.5.	Система RGB
Сопоставление результатов измерения цвета возможно лишь при единой колориметрической системе, оперирующей вполне определенными, заранее согласованными основными цветами. Поэтому для устранения неопределенности измерения цвета в 1931 г. Международная комиссия по освещению (МКО) стандартизовала в качестве основных цветов — основных стимулов — три монохроматических излучения с длинами волн Xr = 700 нм, X<j = 546,1 нм и Ав = 435,8 нм.
214
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 10.5. Цветовой треугольник АВС
Выбранные основные цвета удобны тем, что два из них (R и В) близки к краям видимого спектра, а третий G — к его середине, поэтому каждый из них действует преимущественно на свой цветочувствительный аппарат. Кроме того, излучение и Ав с большой интенсивностью испускается парами ртути, что упрощает проведение колориметрических измерений.
Любой цвет в системе R, G, В определяется по аналогии с (10.9):
f'F = r'R + g'G + b'B,	(10.18)
где R, G, В — обозначения выбранных основных цветов, аг', д', Ь' — их количества, т.е. координаты цвета. Координаты цвета г', д', Ъ' могут быть выражены в энергетических или световых единицах, но удобнее их выражать в количествах единичных цветов 7?, G, В. При этом символы В, G, В являются наименованием единиц измерения цвета. Абсолютные (количественные) значения единичных цветов колориметрической системы не устанавливают, а нормируют лишь их соотношение и выбирают таким, чтобы при сложении единичных цветов в численно равных количествах получилось ощущение рав-иоэнергетического белого цвета Е:
Е = 1R + 1G + 1В.	(10.19)
Такое соотношение основных цветов для белого цвета Е, как будет показано, оказывается удобным при представлении цвета точкой в трехмерном пространстве или вектором. Из опыта смешения цветов известно, что для получения цветового ощущения белого от равноэпергетического излучения — источника типа Е необходимо к единице цвета R прибавить 4,5907 единицы цвета G и 0,0601 единицы цвета В. Тогда если через Т#, LG-> Lb обозначить относительные яркостные коэффициенты основных цветов, то количественное соотношение компонентов смеси можно записать как
Lete : LGg'E : LBbE = 1 : 4,5907 : 0,0601,
(10.20)
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
215
где г'Е. д'Е, Ь'Е — координаты белого цвета равноэнергетического излучения Е\ в системе RGB
ГЕ — 9е — ^Е — 1/3-
(10.21)
Координаты цвета г', д', 6' любого сложного излучения могут быть определены, если известен спектральный состав этого излу-
чения
М2
г'= J P(X)r(X)dX
д'= P(X)g(X)dX
JXi
b' = [ 2 P(X)b(X) dX JXi
(10.22)
Величины r(A), g(A), 6(A) представляют собой цветовые свойства среднего наблюдателя, фиксирующего достижения цветового равенства (10.18), которые были стандартизованы в 1931 г. 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 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 г', д', Ь'.
Для равноэнергетического белого цвета Ре (А) = const и г'Е = = д'Е = Ь'Е, откуда
z.a2	гАг	rA2 _
I r(X)dX= / g(X)dX= / Ь(А) dX,
Aj	J Ai	J Ai
(10.23)
а следовательно, площади под кривыми r(A), g(A), 6(A) равны.
Отрицательные участки ординат кривых смешения показывают, что в цветовом уравнении (10.18) величины г', д', Ь' для чистых спектральных цветов имеют отрицательные значения. Это подтверждает невозможность получения чистых спектральных цветов смешением основных реальных цветов RGB.
На рис. 10.7 представлен конус реальных цветов — цветовое тело, построенное на векторах основных цветов колориметрической системы RGB. Плоскость Q пересекает координатные оси RGB в точках, соответствующих единичным количествам основных цветов, и,
216
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 10.6. Удельные координаты цвета в системе RGB
Рис. 10.7. Цветовое тело, построенное на векторах реальных цветов RGB
следовательно, является единичной плоскостью. Вектор равноэнергетического белого цвета Е равноудален от векторов основных цветов, чем достигается равномерность заполнения цветового пространства.
След пересечения плоскости Q с 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 делением модулей цвета г', д', Ь' на их сумму в соответствии с (10.13).
Для опорного равносигнального цвета Е координаты цветности
те = 9е = Ъе = 1/3.
Следовательно, точка белого цвета Е является центром тяжести треугольника RGB и лежит на пересечении его медиан. Рассматривая положение цветового конуса в пространстве координат RGB, видим, что значительная часть цветового тела, содержащая векторы монохроматических зеленых, голубых, синих и фиолетовых цветов, выходит за пределы пирамиды OBGR, т.е. оказывается с внешней стороны плоскости GOB. Соответственно и след сечения цветового конуса плоскостью Q — спектральный локус выходит за пределы цветового треугольника RGB. Следовательно, чистые спектральные цвета не могут быть получены смешением основных цветов RGB и входящие в цветовые уравнения модули г', д', Ь' для этих цветов могут иметь отрицательные значения. Кривые смешения (см. рис. 10.6) подтверждают это положение.
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
217
Колориметрическая система RGB удобна для проведения 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 + LBBY
где R, G, В — 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.
10.6.	Цветовая система XYZ
В основу построения системы XYZ были положены следующие условия.
1.	Удельные координаты — кривые смешения — не должны иметь отрицательных ординат, т.е. все реальные цвета должны определяться положительными значениями модулей основных цветов выбранной координатной системы и, следовательно, координаты цветности всех реальных цветов — 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 располагались в цветовом пространстве вне тела реальных цветов, т.е. тело реальных цветов находилось внутри координатной системы XYZ, которая может быть пояснена с помощью рис. 10.8. Оси А', У, Z являются ортогональной декартовой системой координатных осей в цветовом пространстве — координата У полностью определяется яркостью цвета, а два других основных цвета X и Z лежат в плоскости нулевой яркости. Вектор координаты У перпендикулярен равноярким плоскостям, и в частности плоскости нулевой яркости XOZ, что обеспечивает выполнение второго условия.
Любой цвет в системе XYZ описывается следующим выражением:
f'F = x'X +y'Y + z‘Z
(10.24)
218
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 10.8. Цветовое пространство XYZ и получение диаграммы цветности МКО
и изображается в цветовом пространстве точкой с координатами г7, у', z' или вектором, проведенным в эту точку из начала координат. Модули основных цветов .г', у', z' определяются выражениями, аналогичными (10.22):
х' = [ 2 P(X)x(X)d\ J
у' = Г2 P(X)y(X)dX >
JAi
z'= P(xyz(\)d\
J Xi
(10.25)
Графики удельных координат (кривые смешения) в системе XYZ показаны на рис. 10.9. Кривая ?/(А) тождественна кривой стандартной относительной видности глаза К(А). Две другие кривые х(А) и 7(A) получены в результате пересчета удельных координат г( А), ~д(Х)ь 6(A) системы RGB в координатную систему XYZ. Подынтегральные площади всех трех кривых равны между собой, что обеспечивает выполнение третьего условия построения системы.
Цветовое пространство XYZ (см. рис. 10.8) рассечено единичной плоскостью, определяемой уравнением
X + Y + Z = 1
и отсекающей на осях координат отрезки X = 1, Y = 1, Z = 1. Линии пересечения координатных плоскостей с единичной плоскостью образуют на последней равносторонний треугольник. Точка т пересечения вектора D с единичной плоскостью характеризует направление этого вектора, а следовательно, и цветность описываемого цвета. Координаты точки 771 определяются выражениями
х = х'/М; у = уЧМ\ z = ?/М,
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
219
Рис. 10.9. Удельные координаты цвета в системе XYZ
Рис. 10.10. Координаты цветности в системе XYZ
Рис. 10.11. Диаграмма цветно- Рис. 10.12. Диаграмма цветности сти в единичной плоскости XYZ	МКО
где М = х' + у' + z1 — модуль цвета; т, у, z — координаты цветности. Координаты цветности чистых спектральных цветов вычислены и стандартизованы МКО, их значения для монохроматических излучений изображены графически на рис. 10.10.
Геометрическое место координат цветности чистых спектральных цветов — это кривая, которая лежит на единичной плоскости и называется спектральным локусом (см. рис. 10.8). Прямолинейный участок, замыкающий эту кривую в точках В и R, представляет цветности пурпурных цветов. Изображение цветностей на единичной плоскости или ее проекции называется диаграммой цветности — цветовым графиком. Таким образом, в единичной плоскости можно получить диаграмму цветности, показанную на рис. 10.11, и представить на пей цветность любого цвета его координатами цветности.
Замкнутая коническая поверхность (см. рис. 10.8), образуемая
220
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
векторами чистых спектральных и пурпурных цветов, заключает в себе ту часть цветового пространства, на которой располагаются векторы всех реальных цветов, визуально воспринимаемых глазом. Все остальные векторы — за пределами этой конической поверхности — представляют собой формальные цвета, которые не могут быть визуально восприняты. Такими являются и сами первичные цвета XKZMKO. Благодаря указанному 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 его соответствуют формальным цветностям.
Так как одна из координат цветности является зависимой от двух других (я + у + z — 1), то для определения цветности достаточно двух координат, например х и у. Тогда, проектируя диаграмму цветности единичной плоскости на плоскость ху в направлении оси z (см. рис. 10.8), получаем известную диаграмму цветности МКО (рис. 10.12). Анализируя цветовой график МКО, необходимо отметить следующее.
1.	Координаты цветности всех реальных цветов находятся внутри спектрального локуса и определяются положительными значениями х и у.
2.	Равноэнергетический белый цвет Е лежит в центре тяжести треугольника хОу. Его координаты цветности — х = 1/3, у = 1/3.
3.	Дополнительные цвета лежат на отрезке прямой, проходящей через точку Е с кривой спектральных цветов.
4.	Цветность смеси двух цветов отображается точкой, расположенной на прямой, соединяющей смешиваемые цвета.
5.	Цветность смеси трех цветов отображается точкой внутри треугольника, вершины которого образованы смешиваемыми цветами.
Выше указывалось, что цветность сложного излучения помимо координат цветности может быть охарактеризована цветовым тоном и насыщенностью. Цветовой тон любого цвета на диаграмме цветности МКО определяется длиной волны монохроматического излучения (доминирующей длиной волны А^м), соответствующей пересечению кривой спектральных цветов — спектрального локуса с прямой, проходящей через точку Е и точку, отображающую цветность искомого цвета, например точку М. Насыщенность численно характеризуется чистотой цвета Р, т.е. относительным содержанием в нем спектрального цвета (монохроматического светового потока F\):
F\
р = irFw  100 %, + -Гб
где F(y — световой поток, вызывающий ощущение белого цвета. Насыщенность максимальна (Р = 100 %) для чистых спектральных и пурпурных цветов и минимальна (F = 0) для белого цвета.
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете	221
10.7. Равноконтрастная цветовая диаграмма
Для определения точности воспроизведения цвета 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 различной величины и ориентации, внутри которых глаз не ощущает разницы в цвете. Полуоси эллипсов пропорциональны порогам цветоразличения. Для большей наглядности эллипсы на рисунке изображены с 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 проекцией ее на новую плоскость UV. Координаты цветности в новой сие теме цветов определяются из соотношения
и =-----—----; V =------—-----.
6?/ — х + 1,5	6?/ — х + 1,5
В результате такого преобразования на равноконтрастном графике пороги цветоразличения представляют собой равные окружности, а значение порога составляет 0,0038 единиц UV,
В телевидении для оценки цветовых различий, обусловленных искажениями не только цветности, но и яркости, используют рекомендованное МКО в 1964 г. равноконтрастное цветовое пространство, координатами которого являются индексы яркости И7*, цвет
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,60,7 0,8 х
Рис. 10.13. Пороги различимости цветов на графике МКО
Рис. 10.14. Равноконтрастная диаграмма цветности и, U
222
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
ности /7* и V*:
Ж* = 25(Г')1/3 - 17; U* = 13Ж*(Е - Uo); V = 13W*(V - Уо),
(10.26) где Y' — относительная яркость исследуемого цвета к яркости белого в процентах, (7О, VQ и U, V — координаты цветности опорного белого и оцениваемых цветов соответственно в системе £7*У*РУ*. Разность между двумя цветами определяется в равноконтрастном цветовом пространстве МКО как расстояние между двумя точками:
ДЕ = У(ДЕ‘)2 + (ДУ*)2 + (Д1У*)2,	(10.27)
где Д£7*, ДУ*, Д1У* - - разности соответствующих координат сравниваемых цветов в системе 77* УЧУ". Выражение для Д£? определяет только разность между цветами в равномерном цветовом пространстве. Для количественной оценки качества цветопередачи введен индекс цветопередачи
R = 100- 4,6ДЕ.	(10.28)
Для оценки качества цветопередачи по совокупности испытательных цветов используют общий индекс цветопередачи Ra:
Ra = — ]Гй= 1^(Ю0-4,	(10.29)
г=1	г=1
где i — номер испытательного цвета из набора т цветов; Д^ — цветовое различие, определяемое по (10.27). Экспериментально установлено, что расчетным значениям Ra соответствуют следующие оценки качества цветопередачи:
Ra	Оценка
80... 100 .........................«отлично»
65...80 ...........................«очень хорошо»
50...65 ...........................«хорошо»
30... 50 ..........................«удовлетворительно»
10.8. Способы получения цветного телевизионного изображения
Для получения цветного телевизионного (ЦТ) изображения датчик ТВ сигнала (ЦТ камера, диапроектор, эпипроектор) кроме поэлементного анализа осуществляет спектральное разложение воздействующего излучения на три составные части аналогично тому, как это делает наш зрительный аппарат. На приемной стороне происходил' обратное действие — синтез ЦТ изображения из трех основных цветов. Анализ воздействующего излучения на три составляющие
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
223
Рис. 10.15. Схема последовательного способа передачи и воспроизведения основных цветов
и синтез ЦТ изображения могут быть получены одновременным либо последовательным способом.
Последовательный способ. Способность зрительного аппарата воспринимать чередующиеся во времени цвета как цвет смеси при достаточной скорости чередования позволяет разлагать натуральные цвета на основные и осуществлять синтез ЦТ изображения из трех основных цветов последовательным способом (рис. 10.15). 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 (необходима синфазиость 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 незаметности мелькания необходимо, чтобы общее время передачи трех цветоделенпых 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 три раза. Соответственно в три 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 гаком способе передачи увеличены в три раза по сравнению с аналогичными параметрами черно-белой системы; при быстром перемещен ии объектов на изображении наблюдается цветная бахрома, так к и к следующие друг за другом изображения в трех основных цветах оказываются несовмещенными. Кроме того, применение диска со
224
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 10.16. Схема одновременного способа передачи и воспроизведения основных цветов:
1, 2 — дихроичные зеркала; 3 — канал связи
светофильтрами ограничивает размеры экрана кинескопа. По этим причинам последовательная система не могла быть использована в телевизионном вещании.
Основным достоинством последовательного способа является простота передающего и приемного оконечного устройства, в связи с чем он применяется в замкнутых телевизионных системах 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.
Воздействующий на ЦТ датчик световой поток разделяется на три с помощью двух дихроических зеркал, цветоизбирательные свойства которых таковы, что они отражают одну часть спектра и почти без потерь пропускают остальную часть. Так, дихроическое зеркало 1 отражает синюю составляющую светового потока к соответствующей трубке и пропускает остальную часть излучения. Дихроическое 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.
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете	225
10.9. Особенности восприятия цвета в телевидении
При выборе параметров отдельных звеньев телевизионной системы важно установить, к какому идеалу точности 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 — спектральные составы и мощности излучения оригинала и изображения одинаковы; физиологическая — зрительные ощущения, вызываемые оригиналом и его репродукцией, одинаковы; психологическая — изображение оценивается наблюдателем как высококачественное, хотя физиологическая точность не соблюдается.
При воспроизведении ЦТ изображения стремиться к выполнению физической точности не требуется, так как одинаковые ощущения цвета могут быть получены при воздействии различных спектральных составов. Необходимость физиологической точности изображения оригиналу не может быть в полной мере выполнено в телевизионной системе из-за ограничений, наложенных синтезирующим воспроизводящим устройством, которые обусловлены двумя основными причинами:
1) диапазон абсолютных значений яркостей Уи, воспроизводимых синтезирующим устройством, не может быть столь велик, как диапазон абсолютных значений яркости Уо передаваемых объектов, т.е. телевизионное воспроизводящее устройство не может практически воспроизвести столь большие абсолютные значения яркости, какие имеют место на объекте;
2) 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 важна адаптация глаза и относительность зрительных оценок, что позволяет не воспроизводить абсолютное значение яркостей отдельных элементов изображений, соответствующих оригиналу, и сохранять лишь соотношение между яркостями отдельных элементов изображения и цветности.
Вышеизложенное позволило ввести в телевизионном вещании поля тио колориметрической тождественности изображения оригиналу, которое означает выполнение следующих условий:
15
226
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
•	цветность каждого элемента изображения не должна отличаться от цветности элемента оригинала, т.е. хи = гго; уи — у о;	= zQ\
•	отношение яркостей соответствующих элементов изображения и оригинала должно быть величиной постоянной для всех цветностей, т.е. Ун — пуо, где п = 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 используют критерий 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 [28]. Эти особенности широко применяют 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 чернобелом виде. Учет этих особенностей, как будет показано ниже, позволяет уменьшить ширину полосы частот канала связи.
10.10.	Условия правильной цветопередачи в телевидении
В § 10.9 были сформулированы необходимые условия верности цветовоспроизведения, по которым, учитывая особенности зрительного восприятия и телевизионного цветовоспроизведения, следует принимать 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.
4 =^<5 у'и=пу'о, z'n=nz'o,
г.'К‘ и коэффициент пропорциональности.
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
227
Рис. 10.17. Структурная схема ЦТ тракта от света до света
Очевидно, что выполнение этих условий определяется работой всех звеньев телевизионного тракта от света до света, структурная схема которого изображена на рис. 10.17. Телевизионный тракт включает в себя передающую камеру, преобразующую воздействующий световой поток Fo в сигналы основных цветов Er, Eg, Er, канал передачи этих трех сигналов и три кинескопа, преобразующие усиленные сигналы основных цветов в соответствующие световые потоки Frk, Fg„, Еви, которые с помощью оптической системы совмещаются в одно многоцветное изображение.
Передающая камера содержит светоделительную систему (СДС), которая разделяет световой поток Fo, отраженный от передаваемой сцены, на три составляющие: красную Fro, зеленую Fgo, синюю FBo, 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 сцепы электрическими сигналами Er, Eg, Ев- 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 (о яркостях и цветностях) воздействующих на нее излучений, необходимо обеспечить прямую пропорциональность между величинами этих сигналов и координатами цвета этих излучений, в выбранной колориметрической системе. Тогда в системе RGB получим величины сигналов основных цветов:
Er = Kir'; Eg — Кчд1', Ев — КзЬ',
где г', д', Ь' — модули основных цветов, а К^, К<2, &з — постоянные коэффициенты.
Учитывая (10.22), можем записать
Ек =	2 P(X)f(X) dX-,
15
228
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Г Л2
EG = К2 / P(X)g(X)dX;
JAi
гА2 _
ЕВ = К3 / Р(А)6(А)б/А,
JAi
где т(А), р(А), 6(A) — удельные координаты (кривые смешения), связывающие воздействующее на глаз излучение Р(А) с результатом этого воздействия ощущением цвета.
Отсюда следует, что телевизионная камера будет колориметрической, если характеристики ее спектральной чувствительности £'(А)я, 5"(A)g, Sr(X)B тождественны по форме удельным координатам г (А), ^(А), 6(A) 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.
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 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 лежат к локусу спектральных цветов, тем меньшую яркость дают 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 Rn, Gn, Вп Европейского стандарта ЕС (сплошная линия) и Американского стандарта NTSC (штриховая линия), построенных по значениям координат цветности излучений трех люминофоров, приведенных в табл. 10.2 для двух стандартов. Как видим, треугольник NTSC охватывает большую гамму цветов за счет
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
229
Рис. 10.18. Треугольник основных цветов приемника Rn, Gn, Вп: а — гуашь; 6— акварель
350 400 450 500 550 600 650 А, нм
Рис. 10.19. Спектральные кривые люминофоров К-75, К-74, К-77
Таблица 10.2
Треугольник основных цветов приемника	Координаты цветности основных цветов					
	Rn		Gn		Вп	
	X	У	X	У	X	У
NTSC	0,670	0,330	0,210	0,710	0,140	0,080
ЕС	0,640	0,330	0,290	0,600	0,150	0,060
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 воспроизвести большую гамму цветов, чем цветная печать. Тем не менее и в телевидении часть реальных цветов, лежащая вне треугольника, воспроизводится с пониженной насыщенностью и искаженным цветовым тоном 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 глаза имеет наибольшее значение (см. рис. 10.13), т.е. большему переме-щепию по цветовому графику соответствует небольшое изменение в ощущении цвета.
230
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Если первичные цвета, на которые телевизионный датчик разлагает воздействующее на него излучение, соответствуют основным цветам приемника Rn, Gn, Вп, то характеристики спектральной чувствительности этого датчика представляют собой кривые удельных координат гп, дпУ Ьп в системе этих основных цветов. Результат количественного расчета их для треугольника основных цветов приемника стандартов NTSC и ЕС (см. табл. 10.2) приводит к выражениям (10.30) и (10.31) соответственно:
гп = 1,910т - 0,5321/ - 0,228г дп = —0,985т + 1,999^ — 0,028г > , Ьп — 0,058т — 0,118^ + 0,898г гп = 7,263т - 3,3041/ - 1,128г '
дп = —1,310т + 2,5361/ + 0,056г > , 6П = 0,091т - 0,307^ +0,1435г ,
(10.30)
(10.31)
где т, 1/, г — удельные координаты, приведенные в табл. 10.2. 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.
Рис. 10.20. Спектральные характеристики камеры при треугольнике основных цветов приемника типа NTSC и опорном белом С
Рис. 10.21. Спектральные характеристики камеры при треугольнике основных цветов приемника типа ЕС и опорном белом D6500
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
231
10.11.	Матричная цветокоррекция
Вследствие реальности первичных цветов Rn, Gn, Вп полученные кривые сложения имеют участки отрицательных значений ординат. Практическая реализация датчика с кривыми сложения, 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 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.
На практике в качестве кривых спектральной чувствительности датчика удобно использовать кривые сложения, которые применяются в объективной колориметрии (рис. 10.22). Две кривые i/(A), z(A) аналогичны удельным компонентам МКО, а третья ти(А) является линейной комбинацией всех трех кривых сложения МКО, имеющей (практически) только положительные ординаты и только один максимум. Поскольку первичные цвета Хи, У, Z формальные и не совпадают с реальными основными цветами 7?п, Gn, Ви приемника, сигналы на выходе камеры не отвечают требуемым па входе приемного устройства, поэтому в телевизионный тракт следует включить матричное устройство, преобразующее сигналы из координат системы Хн, У, Z в сигналы системы Rn, Gn, Вп, описание которого подробно изложено в [28].
Зависимость выходных сигналов Eru, Egu1 Евп от вводимых на матрицу сигналов Ехн, Еу, Ez описывается в общем виде уравне-
Рис. 10.22. Кривые сложения, применяемые в объективной колориметрии
232
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
НИЯМИ
Еяп — Ехп 4- аХ2Еу 4- a13Ez
Евп — ацЕхн 4- а22^у 4- аъзЕг / ,
Евп ~ (^з1Ехн 4- Лз2^у 4- a^Ez ,
(10.32)
где ац-азз — 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 Евп, Ест Евп, 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 малопригодны в качестве спектральных характеристик ЦТ камер, так как для уменьшения потерь света и получения максимальной чувствительности цветоделение в них производится с помощью дихроических зеркал. Причем наибольшая эффективность достигается, когда спектральные кривые двух цветовых каналов пересекаются на уровне 50 %. Спектральные кривые XH, Y (см. рис. 10.22) не отвечают этому условию, так как пересекаются на значительно большем уровне (около 0,9) и реализовать их без больших световых потерь, существенно ухудшающих чувствительность ЦТ камеры, невозможно. Поэтому в качестве кривых спектральной чувствительности камер используют кривые, не связанные линейной зависимостью с кривыми спектральной чувствительности глаза, а именно несколько расширенные основные положительные ветви кривых смешения первичных цветов приемника Rn, Gn, Вп. 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 Ев и Ев может быть сокращена до 2...3 МГц (см. § 11.2), что уменьшает уровень шума в этих каналах, а также позволяет снизить требование к точности совмещения трех растров. Для получения полной информации о неокрашенных мелких деталях должен быть сформирован сигнал яркости Бу, передаваемый в полной полосе. С этих позиций положительную ветвь кривой Gri желательно расширить до кривой стандариой относительной видности глаза Y, 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
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
233
Рис. 10.23. Спектральные характеристики чувствительности RWB камеры: ----------кривые RWB;
--------кривые Rn, Gn, Вп
чувствительности камеры. Ошибки цветопередачи, вызванные отклонением кривых спектральной чувствительности камеры RWB от кривых смешения основных цветов приемника Rny Gn, Вп, корректируются с помощью электронной матрицы цветокорректора.
Принцип работы цветокорректора основан на том, что побочные отрицательные и положительные ветви кривых сложения первичных цветов приемника (см. рис. 10.21) расположены под основными 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 поиском оптимальных коэффициентов, при которых ошибки цвето-анализа для совокупности испытательных цветов 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 цветов они могут оказаться значительными, что снизит эффективность цветокоррекции.
Существенную роль при определении параметров воспроизводящего устройства играет выбор равносигнальиого 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 малоокра-шенных объектов.
В рассмотренных ранее колориметрических системах в качестве
234
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 10.24. Спектральное распределение мощности в излучении нормированных источников А, В, С
эталонного белого цвета использовался равноэнергетический белый цвет Еу удобный для цветовых расчетов, так как имеет равномерную плотность распределения энергии по спектру. Передача сцен натурных объектов происходит или при естественном освещении, или при освещении искусственными стандартными источниками света А, В, С с разной цветовой температурой (табл. 10.3), разным спектральным распределением мощности излучения (рис. 10.24). Зритель наблюдает изображение этой натуры на экране телевизионного приемника, где кажущаяся цветность белого зависит от цветовой адаптации глаза к окружающему освещению, а также 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 D6500. По координатам цветности они близки друг к другу (см. табл. 10.3). Цвет оригинала воспроизводится кинескопом без искажений, если тип источника освещения объекта (опорный равпосигнальный цвет камеры) соответствует опорному равносигнальному цвету приемного устройства. В противном случае все детали телевизионной репродукции приобретают 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 у = 2,8...3,5. Наличие нелинейности в ЦТ приводит не только к градационным искажениям, но и к искажениям цветности, в основном в сторону увеличения насыщенности при 7 > 1 и уменьшения насыщенности при у < 1. Поэтому сигналы основных цветов Есп, Евп кроме матричного преобразования
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
235
Таблица 10.3
Источник осве- щения	Цветовая температура, К	Характеристика излучения	Координаты цветности на цветовом графике XY	
			X	Y
А	2854	Вольфрамовая лампа накаливания	0,448	0,407
В	4800	Желтые фазы дневного света (облачный день)	0,348	0,352
С	6500	Голубоватые фазы дневного света (солнечный день при голубом небе)	0,310	0,316
D6500	6500	Европейский эталонный источник для ЦТ (свечение люминофоров телевизора)	0,313	0,329
должны быть подвергнуты нелинейной гамма-коррекции (см. § 13.5). Результирующее значение у с учетом включенного в тракт передачи гамма-корректора рекомендуется принимать несколько больше единицы (у = 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.
10.12.	Светоделительная система передающей камеры
Светоделительная система передающей камеры обеспечивает разделение светового потока, отраженного от передаваемого объекта, на три цветовые составляющие в соответствии с выбранными основными цветами передачи. Спектральные характеристики светоделительной системы выбираются с учетом требуемых спектральных характеристик чувствительности камеры и спектральных характеристик преобразователей свет-сигнал.
Упрощенная светоделительная система камеры изображена на рис. 10.25. Отраженный от передаваемого объекта световой поток, пройдя объектив 7, разделяется на три с помощью двух интерференционных дихроических зеркал, обладающих высоким коэффициентом отражения в определенном участке спектра и пропускающих почти без потерь остальную его часть. Так, зеркало 2 отражает красную составляющую светового потока к соответствующему преобразователю свет-сигнал (передающей трубке или матрице ПЗС) и пропускает остальную часть спектра излучений. Зеркало 3 отражает синюю составляющую ко второму преобразователю и пропускает оставшуюся зеленую часть к третьему. Указанный способ разделения светового потока 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 дихроических зеркал.
236
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 10.25. Схема цветоделения в ЦТ камере:
1 — объектив; 2, 3 — дихро-ические зеркала; 4 — корректирующие светофильтры
Рис. 10.26. Спектральные характеристики отражения красного и синего дихроических зеркал
Спектральные характеристики отражения зеркала зависят от угла падения лучей на его поверхность, поэтому для неискаженной цветопередачи оптическая схема ЦТ камеры должна обеспечить в пространстве цветоделения одинаковые углы падения лучей на ди-хроические зеркала от всех точек передаваемого объекта. Искажения цветопередачи возникают также вследствие частичной поляризации света, попадающего в светоделительную систему, так как спектральные характеристики дихроических зеркал изменяются в зависимости от степени поляризации света. Поляризация минимальна при малых углах падения лучей на светоделительную поверхность, что и стремятся обеспечить при конструировании светоделительных систем датчика ЦТ сигналов. Обычно при конструировании оптической и светоделительной систем камеры отражающие покрытия расположены так, чтобы угол падения осевого луча не превышал 20°, а разница между углами падения для крайних точек не превышала 4...6°.
Требуемые спектральные характеристики ЦТ камеры не могут быть получены применением в схеме светоделения одних дихроических 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 светоделения достигаются установкой перед фоточувствительной поверхностью передающих трубок специальных корригирующих светофильтров окончательно формирующих спектральные характеристики ЦТ камер. Таким образом, характеристика спектральной чувствительности телевизионной камеры является произведением спектральных характеристик элементов его светоделительной системы и спектральных характеристик передающих трубок. Для схемы светоделения, изображенной на рис. 10.25, выражения для спектральных характери-ciiiK трех цветовых каналов ЦТ камеры имеют следующий вид:
= PR^<pRx£X', Ёс,х = (1 - РЯЛ)(1 - Pbx)t.vGx£x-,
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
237
= (1 -	(10.33)
где ёдА, ёдл, ёвх — спектральная чувствительность трех цветовых каналов; р#л, рвх — спектральные коэффициенты отражения цветоделительных зеркал; T<pGx, тч>вх — спектральные коэффициенты пропускания корригирующих светофильтров; — спектральная чувствительность преобразователя свет-сигнал, которая в общем случае может быть различной для разных цветовых каналов. Выражения (10.33) позволяют рассчитать требуемую форму спектральных характеристик пропускания корригирующих светофильтров:
^Gx	£ В х
PRx£x ’ TvGx (1 - РйА)(1 - РвхК\ ’ Tv,Bx ~ (1 - Prx)pbx£x ' (10.34)
Телевизионная камера должна обеспечивать получение равных сигналов при передаче эталонной белой поверхности, освещенной источником света, имеющим определенную цветовую температуру, обычно 6500 К (источник типа D6500). Если передаваемый объект освещен искусственным источником света, отличным от выбранного опорного белого, то в состав светоделительной системы следует включить приводной светофильтр, спектральная характеристика пропускания которого определяется следующим образом:	= Л>л/Рид,
где РиА и РаХ — спектральное распределение мощности излучения источника освещения и источника типа D6500 соответственно. Несоответствие источников освещения может быть скорректировано также электронным путем, если изменить при смене источника освещения объекта значения коэффициентов матрицы (10.32).
Светоделительная система камеры, включающая в себя светоделительные зеркала, приводные и нейтральные светофильтры, вспомогательные отраженные поверхности и т.д., располагается в пределах заднего рабочего отрезка объектива. Поэтому длина хода светового луча, проходящего через перечисленные узлы, не должна оказаться больше этого отрезка. Кроме того, для уменьшения цветовых искажений желательно обеспечить параллельность пучков света, падающих на светоделительные поверхности. Эта задача удачно решается применением для разделения световых потоков светоделительного призменного блока, представляющего собой единую конструкцию из нескольких призм, на гранях которых нанесены дихроиче-ские покрытия с изменяющимися по спектру коэффициентами отражения и пропускания.
На рис. 10.27 изображена схема оптической системы трехтрубочной WRB камеры. Световой поток, пройдя через вариообъектив 7, сменные приводные светофильтры 2, корректирующие при необходимости источник освещения, поступает на компоненты призменного светоделительного блока 4- Нанесенные на грани призмы дихрои-ческие слои 5 и 6 расщепляют световой поток на три разделенные
238
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Диапроектор и подсветка
Рис. 10.27. Оптические системы трехтрубочной WRB камеры
по спектру составляющие, которые образуют на фоточувствитель-ной 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 цветоделителыюй системы, упростить юстировку схемы, снизить потери света, вызываемые отражением от границы воздух — стекло, а также ввести световой поток от диапроектора, проецирующего изображение тест-таблицы на фотокатоды трех передающих трубок.
Глава 11
МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛНОГО СИГНАЛА ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
11.1.	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 черно-белым телевизионным приемником ЦТ программ в черно-белом виде. Принцип совместимости обеспечивает возможность одновременного существования 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 те
ГЛАВА 11. Методы формирования полного сигнала ЦТ
239
левидения. 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 идеальным для 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 величиной постоянной для всех передаваемых цветностей (см. § 10.10).
Критерий колориметрической тождественности целесообразно использовать в ЦТ системах, предназначенных для научных целей при классификации объектов по их цветовым характеристикам, при телевизионной объективной колориметрии и т.д. В ТВ вещании, где колориметрическая точность воспроизведения цвета невозможна 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, включающих повышение качества преобразования, обработки и передачи изображения, а также передачу зрителю дополнительной информации с выводом ее на телевизионный экран.
11.2.	Первичные цвета передачи
Яркостный сигнал. Для воспроизведения цветного изображения на телевизионном экране необходимо передать по каналу связи в полной полосе частот сигналы основных цветов Eq, Eq, полученные от цветной передающей камеры и подвергнутые гамма-коррекции. Кроме того, для обеспечения совместимости по тому же каналу связи должен быть передан сигнал, создающий на экране монохромного телевизора черно-белое изображение цветного объекта. Этот сигнал, называемый сигналом яркости Еу, может быть получен либо включением в состав ЦТ камеры отдельной трубки, скорректированная спектральная характеристика которой аналогична кривой стандартной относительной видности глаза, либо сформирован с помощью схем в телевизионном тракте, где сигналы основных цветов E'R, Eq, Е'в суммируются в определенном соотношении, которое определяется спектральной чувствительностью глаза (кривой стандартной относительной видности) к основным цветам излу-
2d О
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Таблица 11.1
Треугольник основных цветов	Значения координат цветности основных цветов						а	/3	7	Опорный белый цвет
	Лп		Gn		Вп					
	X	У	X	У	X	У				
NTSC	0,67	0,33	0,21	0,71	0,14	0,08	0,29890	0,58662	0,11448	С
ЕС	0,64	0,33	0,29	0,60	0,15	0,06	0,22272	0,70600	0,07128	D6500
чения трех люминофоров цветного кинескопа. Математически яркостный сигнал
Е'у = aE’R +/3E'G + 7Е'В,	(11.1)
где а, /3, у — относительные яркости E*Ri E'G, Е'в основных цветов приемника, смесь которых образует равносигнальный (эталонный) белый цвет
a = L'R = ^- /3 = L'G=^-, 7 = L'b = ^ Lo = Lr + Lg + Lb> ЬО	1Jq	1Jq
где L^, 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.
В соответствии с данными табл. 11.1 яркостный сигнал для треугольника NTSC
E’y = 0,299Ед + 0,587Е^ + 0,114Е^,	(11.2)
для треугольника ЕС яркостный сигнал
Е’у = 0,222Ед + 0,706Е^ + 0,071Е^.	(11.3)
Отечественным стандартом для формирования сигнала яркости принят сигнал (11.2). Использование для формирования яркостного сигнала стандарта NTSC не оказывает влияния на качество ЦТ изображения, так как декодирующая матрица в ЦТ приемнике восстанавливает точное значение исходного первичного сигнала, но приводит к небольшому искажению градаций яркости на экране чернобелого телевизора.
Цветоразностные сигналы. При наличии сигнала Е'у, необходимого для реализации условия совместимости с черно-белой системой, не требуется дополнительная передача по каналу связи трех сигналов Е'ю Eq, Ев. Достаточно передать любые два из них, а информацию о третьем получить в декодирующем устройстве вычитанием из Еу двух других. Причем, учитывая свойства зрительного восприятия, мелкие детали могут быть переданы в черно-белом виде, ч то подтвсрждают графики рис. 11.1. Из рисунка видно, как падает
ГЛАВА 11. Методы формирования полного сигнала ЦТ
241
Рис. 11.1. Зависимость насыщенности цветов R, G, В мелких деталей от частоты, необходимой для их воспроизведения
воспринимаемая зрительным аппаратом насыщенность основных цветов R, G, В с повышением частоты, требуемой для передачи мелких деталей изображения. Для зеленоокрашенных деталей цвет сохраняется с небольшим понижением насыщенности практически до верхней частоты /в телевизионного спектра. Это позволяет значительно сократить требуемую общую полосу частот цветного ТВ тракта, передав сигнал яркости Еу в полной полосе частот, а два других, например Ев и Е'в в существенно сокращенной. Кроме этого, поскольку сигнал Еу 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 Еу и два из трех цветоразностных сигналов:
E,R_Y=E'R-E,Y, E’g_y = E’g - Е'у-, E'R_Y = E'I; - Еу, (11.4) преимущества которых перед сигналами основных цветов Ед, E'G, Е'в заключаются в следующем:
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. Едб = E'G = Ев& = Еу) и мала на слабонасыщепных 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.
J6
242
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
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 ТВ передачах преобладают изображения с 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:
&R “ ^R-Y +	“ ^G-Y +	= ^B-Y + Еу.
Сигналы восстановлены в полной полосе частот и потому не требуют добавления к ним высокочастотных компонент яркостного сигнала, как это было бы при передаче в сокращенной полосе частот сигналов основных цветов ER и Ев, что усложнило .бы схему декодирования.
Из трех цветоразностных сигналов по каналу связи передаются сигналы Er-y и Ев_у, имеющие в результате преобразования (П.4) наилучшее отношение сигнач/шум.
В приемном устройстве третий цветоразностный сигнал Е'с,_у получают из первых двух в соответствии с выражением
EG_Y = -0,51EVy - 0,19£^_у.	(11.5)
Треугольник первичных цветов передачи. По каналу связи полная телевизионная информация о цветовом объекте передается с помощью трех сигналов: сигнала яркости Еу и цветоразностных сигналов E'r_y и Ев_у, называемых сигналами первичных цветов передачи. Цветоразностные сигнаиы часто называют сигналами цветности, что не совсем точно, так как информация о яркости из них исключена не полностью. Значения сигналов ER_y и Е'в_у зависят от значения сигнапа яркости Еу. Сигналами истинной цветности являются относительные значения цветоразностных сигналов
E'R_Y/EY; и E'r_y/Ey,	(11.6)
которые не зависят от яркости и в силу этого могут быть отображены на диаграмме цветности МКО. Треугольник первичных цветов передачи У, R — У, В — У. построенный на диаграмме цветности МКО в соответствии с методикой, приведенной в [13], представлен на рис. 11.2. Из рисунка видно, что первичные цвета R — Y и В — У лежат в точках Ro и Во пересечения с осью X продолжения двух сторон треугольника основных цветов приемника GR и GB. Третьей
ГЛАВА 11. Методы формирования полного сигнала ЦТ
243
Рис. 11.2. Треугольник основных цветов передачи на диаграмме цветности МКО
точкой треугольника первичных цветов передачи является точка Y, соответствующая равноинтенсивному белому цвету D, в которой оба цветоразностных сигнала равны нулю. Прямые 7?ОУ и BOY называются осями кодирования. Цвета, содержащиеся внутри треугольника RoYBa, передаются положительными значениями сигналов Ер-у и Ев-у. Цвета, расположенные на диаграмме цветности вне пределов треугольника. ROYBO, 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 передачи У, R — У, В — Y.
11.3. Структурная схема совместимой системы цветного телевидения
Структурная схема преобразования и передачи трех сигналов основных цветов E'R, ElG, Ев 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 Еу, подробно рассмотренного в гл. 12.
На вход кодирующей матрицы Mi (рис. 11.3) подаются прошедшие обработку и коррекцию в камерном канале (см. § 14.1) сигналы основных цветов E'R, EG, Е'в. Матрица преобразует сигналы основных цветов в сигналы первичных цветов передачи Е'у, E'R_Y, Е'в_у
Д|	Mj	Е'у 5	КУ		дку				М3	Er >
		Er-y?					Er.	-У Г'		EG
							м?	bG-Y		
		Е'в-у^								
						Ев-у				
Рис. 11.3. Структурная схема совместимой системы ЦТ
244
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Е
g* (1 - o)Er
-0EG
-oiEr
~PEG
R5	f
--(1-7)^'
RO
Рис. 11.4. Структурная схема кодирующей матрицы
в соответствии с выражениями
Еу ~ QE'r + f}EfQ + 7 Е'в\
Er_y = (1 - a)E’R —/3Eg—7Е’в;
E'b-y^-aE^-pE'c + ^-rtE'B.
Подставляя в эти выражения округленные до второго знака значения а, /?, 7 для треугольника основных цветов приемника системы NTSC из табл. 11.1, получаем:
Еу = 0,30Ед + 0,59Е^ + 0,117?#;
EfR_Y = 0,701?# - 0,59^ - 0,117?#;	(11.7)
Е'в_у = -0,30Ед - 0,597?^ + 0,89£^.
Яркостный и цветоразностные сигналы формируются в соответствии с (11.7) матричной схемой (рис. 11.4), состоящей из ряда линейных цепей с серией резисторов Rl, R2 и т.д. Каждая цепь формирует одну из составляющих сигнала с заданным числовым значением коэффициентов а, /3, 7. Для формирования сигналов с отрицательными значениями коэффициентов а, /3, 7 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 цветной телевизионный сигнал (ПЦТВС), передаваемый ио одному каналу связи с полосой частот, не превышающей полосу частот сигнала яркости. Сигнал ПЦТВС содержит сигнал яркости Еу в полной полосе частот и два цветоразностных сигнала ER__Y и
ГЛАВА 11. Методы формирования полного сигнала ЦТ
245
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 и^. Помимо перечисленных сигналов ПЦТВС содержит сигнал синхронизации развертывающих устройств приемника ЕСИ и сигнала цветовой синхронизации на поднесущей тхцс, необходимый для правильного детектирования сигнала цветности. Таким образом, передаваемый в приемнике полный телевизионный сигнал
Еп — ^y	-^си ^цс •
Переданный по каналу связи сигнал Еп преобразуется в декодирующем устройстве ДКУ в сигналы первичных цветов передачи Е'у, E’R_Y, E'b-Y' Третий цветоразностный сигнал Eq_y получают суммированием в матрице М2 двух других в соответствии с выражением
Подставляя значение коэффициентов а, /3, 7 из табл. 11.1, получаем
= 0,51Е^_у - 0,19Е^_у.
В матрице М3 для получения сигналов ER, Е'в, E’G к цветоразностным сигналам добавляются сигналы яркости
Er ~ E'r-y + Еу = E'r - Еу + Еу\
Eq = Eq_y + Еу = Eq — Еу + Еу]
Е’в — Е’в _ у + Еу = Е’в — Еу + Еу.
Сигналы E'R, Eg, Е’в на выходе матрицы М3 являются широкополосными, так как к узкополосным цветоразностным сигналам добавляются высокочастотные составляющие сигнала яркости Еу. Последнее объясняется тем, что сигнал яркости —Еу, входящий в состав цветоразностных сигналов, является узкополосным и компенсирует сигнал +Еу 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’у подавался на катоды кинескопа, а три цветоразностных сигнала E’R_Y, EG_Y, Eb_y — па. его модуляторы. В результате между модуляторами и катодами кинескопа действуют сигналы основных цветов ER, EG, Е'в, а кинескоп помимо основного назначения осуществляет функции матрицы М3. Матрицирование на электродах кинескопа имело определенные преимущества (см. § 16.3), которые в настоящее время являются малозначимыми.
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
241»
Глава 12
АНАЛОГОВЫЕ СИСТЕМЫ ВЕЩАТЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
12.1.	Система цветного телевидения NTSC
Система цветного телевидения NTSC была разработана в США в 1950 -53 гг. Национальным комитетом телевизионных систем (National Television System Committee) и утверждена в стране как национальный стандарт. Позднее эта система была принята в качестве стандарта в Канаде, в большинстве стран американского континента, в Японии, Корее, Тайване и некоторых других странах.
12.1.1.	Общие принципы системы
В системе NTSC передаются три сигнала: яркостный и два цветоразностных. Передача цветоразностных сигналов осуществляется в спектре яркостного на одной цветовой поднесущей частоте (рис. 12.1). Напряжение поднесущей частоты, промодулирован-ное цветоразностными сигналами, называется сигналом цветности. Сумма сигналов яркости Еу и цветности us образует полный цветовой сигнал ип. Для модуляции двумя цветоразностными сигналами одной поднесущей частоты применен метод квадратурной амплитудной модуляции. Сущность его заключается в суммировании двух напряжений поднесущей частоты	и и в-у, промодулированных
каждым из цветоразностных сигналов в отдельных амплитудных модуляторах (рис. 12.2). Поднесущая частота на модуляторы поступает в квадратуре, т.е. с фазовым сдвигом относительно друг друга в 90°. Полученный в результате сложения сигнал цветности оказывается промодулированным не только по амплитуде, но и по фазе. Действительно, амплитуда сигнала цветности us определяется как
Us = Г'в-y + U'r-y,	(12.1)
а фазовый сдвиг вектора Us относительно одного из колебаний Us-y — как
= arctg(UH_y/UB-y),	(12-2)
где в свою очередь, амплитуды квадратурных составляющих U^-y-II U/y_y определяются модулирующими цветоразностными сигналами Ек-у и Ев-у-
Сигнал цветности us, таким образом, равнозначно можно рассматривать либо как одну поднесущую с амплитудно-фазовой модуляцией, либо как пару независимых квадратурных составляющих.
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
247
Рис. 12.1. Частотный спектр полного цветового сигнала
Рис. 12.2. Квадратурная амплитудная модуляция: а — структурная схема; 6— векторная диаграмма
В дальнейшем изложении в зависимости от удобства применяется тот или другой подход.
В системе NTSC используют не обычные амплитудные модуляторы, а балансные, которые, подавляя поднесущую, оставляют только боковые составляющие спектра. Балансная модуляция имеет определенные преимущества перед обычной амплитудной модуляцией. При одном и том же по сравнению с обычной модуляцией размахе модулирующих сигналов балансная модуляция формирует, как минимум, в два раза меньший по амплитуде сигнал цветности, что снижает ее заметность на экране черно-белого телевизора, для которого сигнал цветности следует рассматривать как помеху. Таким образом, улучшается совместимость систем черно-белого и цветного телевидения. В свою очередь, качество совместимости еще больше повышается при передаче неокрашенных или слабоокрашенных деталей в изображении. В этих случаях цветоразностные (модулирующие) сигналы равны нулю или не велики по амплитуде, и на выходе балансных модуляторов сигнал также стремится к нулю (рис. 12.3).
Векторная диаграмма, изображающая сигнал цветности и его квадратурные составляющие, отличается от рассмотренной на рис. 12.2,б возможностью перемены знаков у составляющих U#_y и U#_y (в зависимости от знака цветоразностных сигналов) и в соответствии с этим возможностью расположения вектора сигнала цветности Us не в одном, а во всех четырех квадрантах диаграммы (рис. 12.4).
В цветном приемнике системы NTSC из принятого сигнала цветности us должны быть выделены его квадратурные составляющие для получения исходных цветоразностных сигналов Er-y и Ев-у. Поскольку Uв= Us cos ср; Ur-y = Us sincp, то разделение сигналов можно представить как операции проецирования вектора Us на две ортогональные оси, совпадающие с осями модуляции.
248
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.3. Форма сигнала: а — при обычной амплитудной модуляции; 6— при балансной амплитудной модуляции
Рис. 12.4. Векторная диаграмма сигнала цветности и его квадратурных составляющих при балансной модуляции
Задачу в таком представлении можно решить с помощью синхронного детектора, который осуществляет 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 иоп, представляющее колебание поднесущей частоты fs с начальной фазой (р = 0, то напряжение на выходе детектора
^вых = Ussin(ust + <p)Uon sincJs^,
где Uon — амплитуда указанного выше опорного напряжения.
Используя известное тригонометрическое соотношение
sin a sin /3 = 0,5[cos(a - /3) - cos(a + /3)], получаем
^вых — Z cos <р — — UonUs cos(2o>s£ + <р).
Приняв 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:
'Мвых — кЕв—у .
где к коэффициент пропорциональности.
Если же в качестве опорного напряжения на синхронный детек-
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
249
Рис. 12.5. Разделение сигнала цветности на квадратурные составляющие
тор подать напряжение ?6ОП — Uon sin^st + 90°), то
^вых — 9ОПС7s sin — кЕR—Y,
т.е. будет выделена вторая квадратурная составляющая.
Таким образом, устройство для разделения квадратурных составляющих, т.е. получения из сигнала цветности 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 принципиально важной информации о частоте и фазе и не содержится в принимаемом телевизионном сигнале. Причина в том, что в системе NTSC применяется балансная модуляция, при которой поднесущая отсутствует в спектре сигнала, а боковые частоты, являясь продуктом модуляции, зависящим от передаваемого цвета, имеют фазовые сдвиги, отличающие их от немодулированно-го значения поднесущей.
Для того чтобы генератор опорной поднесущей J's в приемнике мог работать с заданной на передающем устройстве фазой, его синхронизируют специальным 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 часто называют цветовой вспышкой. Частота колебаний вспышки равна фаза колебаний — 180°, направление вектора колебаний пакета совпадает с отрицательным направлением оси B-Y (рис. 12.7).
Определив возможность передачи с помощью квадратурной модуляции на одной поднесущей двух цветоразностных сигналов, выясним, как в сформированном таким образом сигнале цветности закодированы параметры самой цветности: насыщенность и цветовой тон.
250
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.6. Положение сигнала цветовой синхронизации ицв на площадке строчного гасящего импульса СГИ (ССИ — строчный синхронизирующий импульс)
Рис. 12.7. Положение сигнала цветовой синхронизации ицв на векторной диаграмме
Рис. 12.8. Векторная диаграмма сигналов цветности различных цветов
Для этого на векторной диаграмме квадратурно-модулированных колебаний определим положение векторов сигнала для некоторых характерных цветов. В качестве таких цветов выберем основные цвета: красный {Er — 1, Eg — 0, Ев = 0), синий {Er — 0, Eg — 0, Ев — 1), зеленый {Er = 0, Eg — 1, Ев = 0) и дополнительные к ним: голубой {Er — 0, Eg — 1, Ев = 1), желтый {Er — 1, Eg = 1, Ев — 0) и пурпурный {Er = 1, Eg = 0, Ев = 1). В соответствии с выражениями (11.2) и (11.4) определим для каждого цвета амплитуды яркостного и цветоразностных сигналов, а в соответствии с (12.1) и (12.2) — амплитуды и фазы сигналов цветности. Результаты расчета сведены в табл. 12.1 и отражены на векторной диаграмме рис. 12.8.
Из диаграммы следует, что каждому передаваемому цвету соответствует строго определенное место на диаграмме. Дополнительный к рассматриваемому цвет расположен с ним на одной линии, но
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
251
Таблица 12.1
Цвет	Гу	Er-y	Ев-У	Us	
Белый	1,00	0,00	0,00	0,00	-
Желтый	0,89	0,11	-0,89	0,90	172
Голубой	0,70	-0,70	0,30	0,76	293
Зеленый	0,59	-0,59’	-0,59	0,84	225
Пурпурный	0,41	0,59	0,59	0,84	45
Красный	0,30	0,70	-0,30	0,76	113
Синий	0,11	-0,11	0,89	0,90	353
Черный	0,00	0,00	0,00	0,00	-
в противоположном направлении. Наконец, угловое положение любого вектора определяет цветовой тон, а длина вектора характеризует насыщенность передаваемого цвета. Чем больше длина вектора, тем больше насыщенность. Ахроматическим цветам соответствует на диаграмме точка, расположенная в начале координат диаграммы. Из этого следует, что искажения в процессе передачи сигнала цветности, связанные с изменением его амплитуды, приводит к искажению насыщенности, а ошибка в фазе принятого сигнала или опорного генератора поднесущей в синхронных детекторах — к искажению цветового тона.
12.1.2.	Выбор частоты поднесущей
Выбор частоты поднесущей в системе NTSC был обусловлен целым рядом условий, определяющих качество изображения цветных и черно-белых телевизионных приемников. При этом стремление обеспечить более высокое качество изображения черно-белых приемников (т.е. обеспечить наилучшую совместимость систем) находилось в противоречии с возможностью реализации наивысшего качества цветного изображения. Разработчикам системы пришлось искать компромисс. Рассмотрим наиболее важные условия выбора частоты поднесущей.
1.	В черно-белом телевизоре для снижения заметности на изображении помехи от сигнала цветности частота цветовой поднесущей должна быть по возможности более высокой, так как в этом случае структура рисунка от помехи мельче, а следовательно, и менее заметна. С другой стороны, значение fs должно быть существенно меньше максимальной частоты в спектре яркостного сигнала Еу (см. рис. 12.1), чтобы выполнялось требование профессиональной совместимости систем, т.е. чтобы полный цветовой сигнал размещался в полосе стандартного черно-белого сигнала. Разность /тах — fs определяет максимальную ширину боковой полосы сигнала цветности, а значит, и максимально возможную ширину спектра цветоразностных сигналов. Как показала практика, эта ширина не может быть меньше 0,6 МГц, иначе на цветном изображении в приемнике появляются заметные цветные окантовки на вертикальных границах
252
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.9. Помеха от поднесущей частоты:
а — текущее изменение us в строках четного и нечетного полей; 6— вид помехи на экране в двух смежных кадрах
между различными цветами [29]. Поскольку в американском стандарте /тах = 4,18 МГц, то fs должна быть не более 3,58 МГц.
2.	Также для уменьшения заметности рисунка на экране чернобелого телевизора, получаемого от воздействия на него поднесущей частоты, ее частоту жестко связывают с частотой развертки изображения. В этом случае рисунок помехи имеет менее заметную неподвижную структуру, а указанная связь подчиняется соотношению
/5 = (2п + 1)ф,	(12.3)
где п — целое число: fz — частота строк. Тогда в интервале строки размещается нечетное число полупериодов поднесущей, и рисунок от помехи имеет вид расположенных в шахматном порядке темных и светлых участков (рис. 12.9). За счет пространственной компенсации в зрительном аппарате такая структура значительно менее заметна, чем, например, рисунок из чередующихся вертикальных темных и светлых полос.
Нетрудно показать, что при выполнении соотношения (12.3) полярность 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 временной взаимной компенсации помехи в зрительной системе наблюдателя.
11е менее важным достоинством, чем улучшение совместимости, является характер размещения спектральных составляющих сигнала цветности внутри спектра сигнала яркости. При выполнении уело-
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
253
вия (12.3) спектральные составляющие сигнала цветности размещаются точно по середине между строчными и кадровыми гармониками яркостного сигнала. Происходит так называемое перемежепие частотных спектров сигналов яркости и цветности, что в принципе позволяет 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 промежуточной частотой звукового сопровождения (см. гл. 17). Для уменьшения заметности помехи ее частоту, равную разности частот поднесущей fs и второй промежуточной частоты звука /''зв, 110 тем же соображениям, что были изложены в предыдущем пункте, также делают равной нечетной гармонике полустрочной частоты:
/пзв - fs = (2fc + 1)Л/2,	(12.4)
где к — целое число.
Из (12.3) и (12.4) следует, что
(^3B-/s)//s = (2fc + l)/(2Ti + l).
Заменив fs его значением из (12.3), получим
/пзв/Л = к + п + 1 = т,	(12.5)
где т — целое число. Но вторая промежуточная частота звука /"зв> как будет показано в гл. 17, в любой вещательной системе телевидения определяется разносом несущих частот звука /нзв и изображения /низ, и (12.5) можно записать как
(/нзв -	= т.	(12.6)
В стандарте США на черно-белое телевидение, в отличие от любого из европейских стандартов, это условие не выполнялось. В США в черно-белом телевидении /Нзв — /низ = 4,5 МГц; fz = — 15750 Гц. Таким образом, их соотношение составляло дробную величину 285,71428. Для выполнения условия (12.6) это соотношение необходимо было округлить до ближайшего целого числа, т.е. до 286, что заставило разработчиков системы NTSC изменить стандарт на частоты разверток соответственно на 0,1 %: fz = 15734,26573 Гц; f-2n = 59,940059 Гц (вместо исходных 60 Гц). Такое незначительное, но принципиальное изменение частот разверток в цветной системе не потребовало перестраивать генераторы разверток черно-белых телевизоров, поскольку указанные новые значения частот располагаются заведомо в полосе захвата синхронизируемых ими генераторов разверток телевизора.
4.	Установлению жесткой связи между частотами разверток и чах-'готой цветовой поднесущей в соответствии с (12.3) должны со
254
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
путствовать условия наиболее простой ее технической реализации. Таким условием является выбор числа (2n + 1) в (12.3), при котором оно состояло бы по возможности из наиболее простых сомножителей. В этом случае облегчается достижение устойчивого деления частоты при получении в синхрогенераторе частоты строк из частоты задающего генератора, вырабатывающего частоту fs- Оптимальным оказалось число (2n + 1) = 455 (13x7x5), что и обусловило выбор частоты поднесущей fs = 455fz/2 = 3,579545 МГц. Стандартом была предусмотрена допустимая нестабильность этого значения не более 0,0003 %, т.е. не хуже 10 Гц.
12.1.3.	Цветоразностные сигналы Ej и Eq
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 для ее увеличения имеются в некотором расширении спектра нижней боковой сигнала цветности. Как показали эксперименты, такое расширение допустимо примерно до 1,3 МГц без существенного ухудшения совместимости. Широко распространено несимметричное усиление боковых колебаний амплитудно-модулированного сигнала, однако при квадратурной модуляции этот прием имеет серьезные ограничения.
На рис. 12.10 изображена векторная диаграмма, иллюстрирующая процесс несимметричной передачи боковых частот одного из квадратурных сигналов Пн-у. Из рисунка видно, что ослабление или полное подавление одного бокового колебания приводит к ошибке в фазовом угле вектора U^-y. Он перестает совпадать с направлением оси R-Y. В результате при синхронном детектировании в канале R-Y уменьшается амплитуда выделяемого цветоразностного сигнала Ец-у (проекция U/?_y на ось R-Y), а детектирование в канале B-Y выделяет постороннюю для этого канала составляющую Ев-у (проекция U/?_y на ось B-Y). Аналогично в канале R-Y появится помеха от сигнала Uв-у , если и он передается с асимметричными бо-
Рис. 12.10. Искажения при асимметрии боковых частот сигнала
а --- размах боковых частот одинаков; 6— размах верхней боковой уменьшен
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
255
Рис. 12.11. Частотный спектр полного цветового сигнала NTSC при разнополосных цветоразностных сигналах
ковыми колебаниями. Возникают, как следствие, искажения в цветовом тоне и насыщенности передаваемого цвета, получившие название перекрестных искажений между каналами R-Y и B-Y.
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 второй сигнал узкополосным, в отличие от более широкополосного сигнала с разными боковыми. При такой передаче сигналов узкополосная симметричная квадратурная составляющая не создает перекрестной помехи в канале широкополосного сигнала. От несимметричной квадратурной составляющей возникают описанные выше перекрестные помехи. Однако эти помехи присутствуют только на тех частотах, где подавлена одна боковая, т.е. вне полосы пропускания узкополосного цветоразностного канала. Напомним, что после синхронного детектора должен устанавливаться фильтр нижних частот (ФНЧ), подавляющий вторую гармонику поднесущей частоты. Если полосу пропускания этого ФНЧ ограничить максимальной частотой спектра узкополосного сигнала, то в канале последнего перекрестная помеха от второго цветоразностного сигнала будет подавлена.
Таким образом, расширение частотного спектра одного из квадратурных сигналов позволяет рассчитывать на соответствующее улучшение цветовой четкости изображения. Однако использование этого приема для цветоразностных сигналов Ец-у и Ев-у не даст положительного результата.
Действительно, предположим, что расширена нижняя боковая полоса сигнала Er _ у, а симметричным узкополосным сигналом останется сигнал Eb-y • Тогда в полосе частот от 0 до 0,6 МГц синхронное детектирование происходит без ошибок, и отсутствуют искажения в цветовоспроизведении. В полосе частот от 0,6 до 1,3 МГц (это соответствует угловым размерам деталей изображения 10...22') сигнал Ев-у отсутствует, и все детали таких размеров будут окрашены в цвета, расположенные только на оси R-Y. Изображение становится для таких деталей двухцветным, в малиново-голубых цветах (см. рис. 12.8). Кроме того, разрешающая способность зрительного аппарата в этих цветах не является максимальной и реально заметного увеличения цветовой четкости за счет расширения полосы сигнала
256
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Er-y не происходит. Результаты еще хуже, если в качестве широкополосного сигнала использовать сигнал Eb-y-
Разработчиками системы NTSC опытным путем были найдены такие цвета, при которых глаз 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 Ei и Eq. Сигнал Ej передается в широкой полосе, a Eq — в узкой (см. рис. 12.11). Детектирование в полосе частот от 0 до 0,6 МГц не отличается от случая использования цветоразностных сигналов Er_y и Eb-y, и не приводит к принципиальным цветовым ошибкам в изображении. В полосе же от 0,6 до 1,3 МГц из-за отсутствия сигнала Eq детали соответствующих размеров передаются только в оранжево-голубых цветах. Но это не вызывает заметных искажений при цветовосприятии из-за малости деталей, соответствующих 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 Ej и Eq можно считать производными от сигналов Er-y и Eb-y- Нетрудно осуществить их взаимный пересчет:
Е/ = Er_y cos 33° — Eb-y cos 57°;
Eq = Er-y cos 57° + Eb-y cos 33°.
Эти соотношения получены путем тригонометрических преобразований с использованием цветового графика на рис. 12.8. Однако в эти соотношения разработчиками системы введены дополнительные коэффициенты оц и названные коэффициентами компрессии. Тогда
Ei = oliEr-y cos 33° — olzEb—y cos 57°;
(12.7) Eq = c*iEr-y cos 57° + o^Eb-y cos 33°.
Здесь oi] = 0,877, ct2 = 0,493. С учетом численных значений тригонометрических членов имеем
Е/ = 0,74Ej?_y — 0,27Е,#_у;
(12.8) Eq = 0,48E#_y + 0,41Е^_у.
Необходимость коэффициентов компрессии вызвана следующим обстоятельством. Полный цветовой сигнал представляет собой сумму сигналов яркости и цветности. Его динамический диапазон существенно больше, чем в черно-белом телевидении. На определенных
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
257
Рис. 12.12. Полный цветовой сигнал NTSC
цветах он превышает уровень белого, а на других заходит в область ниже уровня черного. Превышение динамического диапазона и в ту и в другую сторону выше допустимых значений нежелательно из-за вероятности нелинейных искажений или ухудшения синхронизации приемных устройств. Поэтому сигнал цветности с помощью 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 Ej и Eq из сигналов основных цветов выполняется по соотношениям
Ej = 0,60-Ед - 0,28Ес - 0,32Ев;
Eq = 0,21Ед - 0,52£о + 0,31ЕВ-	^12'9^
На приемном конце системы NTSC может возникнуть необходимость перейти от сигналов Ej и Eq к исходным цветоразностным сигналам Er_y> EG-y и 5#_у. Легко показать, что
Er-y —	+ 0,625q
Eg_y = —0,275/ - 0,65Eq > .
Er-y = — 1,115/ + 1,705q y
(12.10)
12.1.4.	Структурная схема кодирующего устройства
На рис. 12.13 представлена упрощенная структурная схема кодирующего устройства в системе NTSC. Исходными сигналами являются сигналы E'r, Eq и Е'в. Штрихи в обозначениях сигналов означают, что сигналы были предварительно подвергнуты гамма-коррекции. На выходе матрицирующей схемы М сформированы яркостный сигнал Еу и цветоразностные сигналы E'f и Eq. В сигнал яркости Еу
17
258
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
К синхрогенератору
Рис. 12.13. Структурная схема кодирующего устройства системы NTSC
вводится сигнал синхронизации приемника ССП. Фильтрами нижних частот ФНЧ1 и ФНЧ2 ограничиваются полосы частот сигналов и Eq соответственно до 1,3 и 0,6 МГц. Генератором поднесущей частоты вырабатывается синусоидальный сигнал с частотой 3,579545 МГц и фазой 180°, соответствующей отрицательному направлению оси В-У. На балансный модулятор БМ сигнала Ej поднесущая частота поступает от генератора с задержкой на 57°, которая создается фазовращателем ФВ1. На балансный модулятор БМ сигнала Eq колебание поднесущей частоты поступает с дополнительной задержкой на 90°, получаемой в ФВ2, тем самым обеспечивая условия квадратурной модуляции одной поднесущей сигналами Е^ и Eq. С выходов балансных модуляторов квадратурные составляющие uj и uq подаются на сумматор Li, в котором образуется сигнал цветности и$. В сумматоре Б2 сигнал цветности us складывается с яркостным сигналом. На выходе этого сумматора общая полоса частот определяется ФНЧз в границах от 0 до 4,18 МГц. В результате такого ограничения квадратурная составляющая uq содержит две боковые полосы по 0,6 МГц, а составляющая и/ — верхнюю боковую 0,6 МГц и нижнюю 1,3 МГц.
Как известно, время прохождения сигнала через электрическую цепь зависит от ее полосы пропускания. В кодирующем устройстве NTSC каждый из трех компонентов полного сигнала Еу, Е'} и Eq проходит в процессе формирования через цепи с разными полосами пропускания: сигнал Еу — через самую широкополосную цепь 0...1J8 МГц, сигналы Eff и Eq — через узкополосные цепи О...1,3 и ()...(),() МГц соответственно. В результате сигнал Еу имеет наименьшее из грех сигналов время прохождения, а сигнал Eq — наибольшее. Для выравнивания всех трех сигналов во времени устанавливают ус троне гва задержки: в канале Еу — примерно на 0,7 мкс, а в ка
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
259
нале E'f — 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 лцв формируется в клапанном устройстве К с помощью стробирующих импульсов, временное положение которых соответствует положению цветовой вспышки па задней площадке строчного гасящего импульса (см. рис. 12.6). В сумматоре Г-2 сигнал цветовой синхронизации складывается с сигналами яркости и цветности.
Для выполнения условия (Г2.3) строчные синхронизирующие импульсы получают многократным делением частоты поднесущей fs в делителе частоты ДЧ.
12.1.5.	Структурная схема декодирующего устройства
Полный цветовой сигнал ип, содержащий сигналы яркости, цветности, 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, вызванную им (см. рис. 12.9,6). Полосовой фильтр в канале цветоразностных сигналов выделяет из полного сигнала гьп сигнал цветности и сигнал цветовой синхронизации. При этом следует обратить внимание на максимальное подавление второй промежуточной частоты звукового сопровождения (4,5 МГц), которая может вызывать нежелательные биения с цветовой поднесущей. Сигнал цветности us,
Рис. 12.14. Структурная схема декодирующего устройства системы NTSC
I 7 ’
260
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
содержащий две квадратурные составляющие и/ и uq, поступает через усилитель на два синхронных детектора СД/ и СД^, на которые подается опорное напряжение поднесущей частоты со сдвигом 90°. обеспечиваемым фазовращателем ФВ2. Как будет показано, эти колебания имеют фазы, соответствующие осям I и Q. В результате на выходах синхронных детекторов создаются сигналы E'j и E'q, которые ограничиваются по полосе частот в каналах I и Q фильтрами нижних частот ФНЧ1 и ФНЧ2. В матрицирующем устройстве из сигналов Еу, Е; и Eq формируются исходные сигналы E'R, E'G и Е'в’. E'r = EfR_Y + EY; E'g = Eg_y 4-E'Y; E'B = E'B_Y + E'Y, где величины Er-y^ E'G__y и E'b_y определяются соотношениями (12.10).
Для компенсации различных по длительности задержек в сигналах Еу, Е\ и E'q в каналы первых двух сигналов включены устройства задержки 1 и 2.
Сигнал цветовой синхронизации отделяется от сигнала цветности клапанным устройством Кл, которое пропускает на свой выход цветовые вспышки при поступлении стробирующих импульсов, создаваемых в устройстве формирования 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 fs, 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, чтобы обеспечить детектирование на ось I (в синхронном детекторе СД/), необходимо колебаниям автогенератора создать опережение на 33°. Дополнительная задержка на 90° обеспечит детектирование в СДз на ось Q.
В усилителе сигнала цветности с помощью стробирующих импульсов подавляются колебания цветовых вспышек для устранения их огибающей 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 осуществляется прием черно-белого изображения, поскольку иначе на • ж рапе 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
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
261
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 свой знак меняет.
Если из рассмотренной структурной схемы исключить фазовращатель ФВ1 на 33°, то синхронное детектирование будет осуществляться на оси R-Y и B-Y, а следовательно, на выходах детекторов будут получены сигналы Ев_у и E'B_Y. Но в этом случае из-за разнополосности составляющих щ и uq могут возникнуть перекрестные искажения между сигналами EfR__Y и E'B_Y. Для предотвращения этих искажений оба фильтра нижних частот на выходе детекторов должны быть узкополосными: 0...0.6 МГц, что заметно ухудшит цветовую четкость. Поэтому такой вариант декодирующсго устройства распространен меньше.
12.1.6.	Эксплуатационные характеристики системы
Несмотря на то что система NTSC была разработана и введена в эксплуатацию значительно раньше других вещательных систем, принципы, заложенные в ее основу, позволяют ей оставаться среди аналоговых вещательных систем конкурентно способной 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 применением 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 синхронного детектирования цветоразностных сигналов;
•	эффективное использование канала передачи, позволяющее при сравнительно узкополосных сигналах Е/ и Eq получить изображение с удовлетворительной цветовой четкостью;
•	простоту микширования полных видеосигналов, поскольку 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
262
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
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 в зависимости от уровня Еу- получило название дифференциальных искажений амплитуды, а изменение фазы сигнала цветности под действием сигнала Е'у — дифференциальнофазовых искажений.
Дифференциальные искажения амплитуды приводят к различию в насыщенности цвета светлых и темных участков изображения. Причем эти искажения нельзя устранить с помощью автоматической регулировки усиления сигнала цветности, поскольку проявляются они внутри одной и той же строки. Дифференциально-фазовые искажения вызывают изменение цветового тона в зависимости от яркости изображения. Например, человеческое лицо, к цвету которого особенно чувствителен глаз, может приобретать зеленоватый оттенок на ярких участках и красноватый — на темных.
Отсюда вытекают довольно жесткие требования к тракту передачи в отношении дифференциальных искажений. Для фазовых ошибок считается допустимым значение не более 4...5°. К искажениям насыщенности глаз менее критичен. Амплитудные ошибки допускаются порядка 12 %.
Жесткие требования к параметрам канала передачи NTSC, в определенной степени усложняющие и удорожающие аппаратуру, а также коммерческие интересы конкурирующих фирм в европейских странах заставили разработчиков искать альтернативные решения в построении вещательных цветных систем. Из большого числа предложений, появившихся к началу 60-х годов, признание получили цветные системы SECAM и PAL.
12.2.	Система цветного телевидения SECAM
Разработка системы была начата во Франции в 50-х годах и претерпела ряд модификаций. В 1965-1966 гг. при сотрудничестве с советскими специалистами была доработана. С октября 1967 г. в СССР и во Франции одновременно было начато регулярное вещание по системе SECAM. В процессе эксплуатации продолжалось ее усовершенствование, определившее окончательный вариант системы
SECAM-Шб. Кроме Франции и стран бывшего СССР, система SICC’AM получила распространение в Болгарии, Венгрии, Чехословакии, Польше, Люксембурге, Греции, ряде стран Африки, Ближнего и Среднего Востока. Название системы представляет собой аббреви-;и уру из французских слов Sequentiel de Couleurs Avec Memoire, что (ниачает «поочередность цветов и память».
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
263
12.2.1.	Общие принципы системы
Так же, как и в системе NTSC, сигналами передачи в системе SECAM являются три сигнала: яркостный Еу и два цветоразностных Е'р^у и Е,в_у. 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 EfR, E'g и Ед, из которых в матрице М формируются яркостный сигнал Еу и два цветоразностных сигнала ER_Y и E'B_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/*}- На выходе ЭК, в отличие от его входов, в любой момент присутствует только один из двух цветоразностных сигналов: в течение одной строки — ER_Y. в течение другой — E'b-Y' Таким образом, поднесущая частота, с помощью которой уплотняется спектр яркостного сигнала, модулируется поочередно сигналами E'R_Y и Е’в_у.
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
Рис. 12.15. Упрощенные функциональные схемы устройств SECAM: а — кодирующего; 6— декодирующего
264
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Е'у.
а)
uSnp .
б)
и5за,д'
В)
B-Y	R- У	В - Y	R-Y	В - У	R-Y	В - У	R-Y	
п — 2	п — 1	п	п + 1	п + 2	п + 3	п + 4	п + 5	
В - У В - У п + 4 п + 6
п + 4
t
Рис. 12.16. Сигналы в различных узлах декодирующего устройства SECAM: п, п + 1, п + 2,... — номера строк; =, х —состояние электронного коммутатора
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 Е с яркостным сигналом Еу, образует полный цветовой сигнал, необходимый для передачи в вещательную сеть.
В приемном устройстве (рис. 12.15,6) полный цветовой сигнал izn, получаемый с выхода видеодетектора, подается на усилитель яркостного сигнала Еу (рис. 12.16,а) и полосовой фильтр ПФ, с помощью которого из полного сигнала выделяется ЧМ сигнал цветности us (рис. 12.16,6). Его дальнейшая обработка принципиально отличается от декодирования сигнала цветности в системе NTSC. В системе SEC AM в отличие от NTSC в каждый момент времени продетекти-рованный ЧМ сигнал представляет собой только один из двух цветоразностных сигналов: или ER_Yl или Ев_у. Для восстановления исходных сигналов основных цветов EfR, EG и Е'в необходимо обязательно иметь оба цветоразностных сигнала одновременно. (Напомним, что третий цветоразностный сигнал EG_y получается матрицированием из сигналов ER_Y и Е'в_у.)
Получение недостающего в каждый момент времени цветораз-нос'1 иого сигнала достигается в приемном устройстве SECAM исполь
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
265
зованием устройства задержки на длительность одной строки и электронного коммутатора ЭК, осуществляющего переключение его входов и выходов с частотой строк (см. рис. 12.15,6).
На один из входов электронного коммутатора сигнал цветности подается неосредственно с полосового фильтра. Назовем этот сигнал прямым и обозначим его usnp. На второй вход коммутатора поступает тот же сигнал цветности, но задержанный на длительность одной строки (64 мкс). На рис. 12.15 и 12.16 он обозначен и$мД. В результате переключения электронного коммутатора с частотой строк на каждом из выходов ЭК и соответственно после каждого из частотных дискриминаторов в любой момент времени присутствуют сигналы ER_Y и Е'в_у 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 строки на выходы декодера поступают яркостный сигнал Е'у^п^ и цветоразностные сигналы ER_y^n^^ и ^в-у(п+4)- Сигнал -Е^-у(п+5) получится как результат матрицирования сигналов EfR_Y^n^ и Е'в_у^п+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 заметно, поскольку уменьшение четкости в цвете по вертикали здесь будет не более чем в два раза по сравнению с яркостным сигналом. Напомним, вполне допустимым является снижение цветовой четкости в четыре раза, что и происходит с горизонтальной цветовой четкостью в результате ограничения цветоразностных сигналов по спектру до 1,5 МГц. Однако принятый в системе SECAM прием использования цветоразностных сигналов двух смежных строк приводит к другим, действительно заметным для глаза искажениям, о которых 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.
12.2.2.	Основные параметры системы
Цветоразностные сигналы D'r и D'p. В системе SECAM цветоразностные сигналы E'R_Y и Е'в_у заменены сигналами D'R и DB, определяемыми как
D’R =—1,9E'R_Y; D'B = 1.5E'B_Y.	(12.11)
266
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Из соотношений (12.11) видно, что сигналы D'R и D'B отличаются от сигналов ER_y и Е'в_у как амплитудой, так и полярностью. Штрихи в (12.11) означают, как и ранее, что передаваемые сигналы подвергнуты гамма-коррекции. Коэффициенты, связывающие значения сигналов между собой, получили название коэффициентов компрессии (по аналогии с системой NTSC). Выбор этих коэффициентов обусловлен стремлением увеличить 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 ER_y существенно меньше этих значений для сигнала Е'в_у. Если максимальная амплитуда ER_y для красного и голубого цветов составляет 0,7 от уровня исходных сигналов на белом, то амплитуда Ев_у для синего и желтого цветов — 0,89. Отношение амплитуд составляет 1,27. Это означает, что во столько же ЧМ сигнал, полученный от модуляции сигналом E'R_yy уступает по помехоустойчивости сигналу цветности, модулированному сигналом Ев_у. Для выравнивания условий передачи сигнала цветности в двух строках коэффициенты компрессии соотносят как 1,9/1,5 = 1,27. Абсолютные значения коэффициентов компрессии выбирают из условия, чтобы амплитуды сигналов D'R и D'B при передаче испытательного изображения цветных полос со 100%-ной насыщенностью и 75%-ной яркостью равнялись единице.
Действительно, для красного и голубого цветов сигнал DR = = —1,9(±0,7)0, 75 = ±1; для синего и желтого цветов сигнал D'B — = 1,5(±0,89)0, 75 = ±1. Этим значениям сигналов D'R и D'B соответствует так называемая номинальная девиация поднесущей частоты.
Отрицательная полярность сигнала D'R выбрана из следующих соображений. Статистические данные показывают, что для большинства сюжетов сигналы E’R_y и Ев_у находятся в диапазонах: -0,15 < ER_y < 0,40, —0,50 < Ев_у < 0,20, т.е. преобладают положительные значения для сигнала ER_y и отрицательные — для сигнала Ев_у. Изменением полярности E'R_y достигают того, что в среднем в обеих строках преобладает отрицательная девиация частоты и тем самым повышается устойчивость к ограничению верхней боковой полосы сигнала цветности (что особенно важно для стандарта тех стран, где уменьшена полоса частот яркостного канала). Кроме ч’ого, уменьшается средняя разность мгновенных значений часто гы поднесущей между соседними строками, и это уменьшает ее заметноеть на экране черно-белых приемников, т.е. улучшает совместимое г 1>.
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
267
Коррекция цветоразностных сигналов в системе SECAM. В системе SECAM для устранения наиболее уязвимых для системы NTSC амплитудных и фазовых искажений применена ЧМ поднесущей, которая при соответствующих условиях могла бы дать также большой выигрыш по сравнению с AM и в отношении помехоустойчивости. Однако в системе SECAM эти условия не выполняются. Действительно, для размещения спектра сигнала цветности в высокочастотной части спектра яркостного сигнала недопустимо применение широкополосной ЧМ с индексом модуляции больше единицы. В этом случае спектр ЧМ сигнала недопустимо расширяется, так как в него войдут кроме боковых частот первого порядка, боковые более высоких порядков. Кроме того, при большой девиации поднесущей частоты значительно увеличивается ее заметность на экране. Поэтому в системе SECAM индекс модуляции в среднем составляет около 0,2.
Кроме уменьшения до указанного значения индекса модуляции, в системе SECAM приходится существенно уменьшать размах самого сигнала цветности. Если в системе NTSC размах сигнала цветности может достигать значений более 120 % от размаха сигнала яркости на белом, и при этом поднесущая на экране черно-белого приемника практически незаметна, то частотно-модулированная поднесущая в системе SECAM зрительно воспринимается гораздо хуже. Ее размах желательно ограничить до значений, не превышающих 20...25 % размаха яркостного сигнала.
Малый индекс модуляции и небольшая амплитуда сигнала цветности делают систему SECAM крайне уязвимой к помехам, и без применения специальных коррекций сигнала она не конкурентна по качеству изображения с системами NTSC и PAL. Одной из таких коррекций, известной в практике ЧМ радиовещания, является коррекция цветоразностных сигналов в приемном устройстве. Она получила 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. Это распределение имеет треугольный характер (рис. 12.17). Как следствие, максимум шумовой помехи расположен в верхней части полосы пропускания. Если после частотного дискриминатора установить в канале цепь коррекции, АЧХ которой А(/) имеет спад на верхних частотах (рис. 12.17, кривая £), то можно получить заметное улучшение отношения сигнал/шум.
Однако действию НЧ коррекции подвергаются не только шумы, по и сам цветоразностный сигнал. Его верхние частоты, как и шумы, цепью коррекции ослаблены, что вызывает соответствующее уменьшение цветовой четкости. Для того чтобы в полезном сигнале не возникали искажения, на передающегм конце системы, в кодирующем устройстве осуществляют предкоррекцию (предыскажения) цве-
268
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.17. Зависимость уровня шума от частоты на выходе частотного дискриминатора (I); АЧХ цепей НЧ коррекции (2) и НЧ предыскажений (3)
Рис. 12.18. Цепи НЧ предыскажений (а) и НЧ коррекции (5)
Рис. 12.19. Результирующая АЧХ низкочастотной фильтрации и предыскажений цветоразностных сигналов
торазностных сигналов. По аналогии с НЧ коррекцией в приемнике эти предыскажения называют часто низкочастотными. Предыскажения создаются пропусканием 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 в пределах полосы пропускания оказывается равномерной и не вносит искажений в сигнал. В кодирующем устройстве АЧХ цепи НЧ предыскажений описывается выражением
=	(12.12)
где Л = 85 кГц.
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 фильтр нижних частот.
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
269
Результирующая АЧХ цепи предыскажений и ФНЧ стандартизована (рис. 12.19).
Коррекция цветоразностных сигналов позволила улучшить соотношение сигнал/шум в канале цветности SECAM примерно па 9 дБ. Однако это еще не обеспечило должного качества изображения.
Коррекция сигнала цветности и переход к модуляции 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 некоторой гармонической помехой можно рассматривать как дополнительную частотную девиацию сигнала помехой. Создаваемое помехой изменение частоты полезного сигнала преобразуется на выходе частотного детектора в напряжение помехи. Причем это напряжение пропорционально дополнительной девиации от помехи. В свою очередь эта девиация пропорциональна как амплитуде помехи, так и разности частот (расстройке) сигнала и помехи. При этом величина помехи на выходе детектора не зависит от знака расстройки помехи и сигнала (рис. 12.20, кривая I). Следует отметить, что указанная прямая зависимость между помехой на выходе и расстройкой справедлива для случая, когда амплитуда помехи мала по сравнению с амплитудой сигнала.
Если сигнал цветности, пораженный флуктуационными шумами, пропустить через цепь с амплитудно-частотной характеристикой, максимально 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).
На рис. 12.20 частота сигнала цветности fs совпадает с часто-той максимума и минимума АЧХ цепей коррекции и предыскажений. Однако в общем случае равенства этих частот добиться невозможно, поскольку корректоры настроены на фиксированное значение частоты, а передача цветности путем ЧМ приводит к изменению fs в соответствии с передаваемым цветом (рис. 12.21). Из рисунка видно, что от значения девиации меняется значение сигнала цветности на
270
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.20. Зависимость величины помехи на выходе частотного дискриминатора от ее частоты (1); АЧХ цепи высокочастотной коррекции (2) и цепи высокочастотных предыскажений (3); fs — частота сигнала
Рис. 12.21. Расстройка сигнала относительно АЧХ цепи предыскажений: /о — частота настройки цепи предыскажений; fs — текущее значение частоты поднесущей; Д/ — девиация частоты поднесущей
выходе цепи предыскажений: чем больше девиация, тем больше амплитуда сигнала цветности, а значит, эффективнее коррекция. Но девиация определяется размахами модулирующих поднесущую сигналов D'R и D'b, которые, в свою очередь, зависят от передаваемого цвета. Вывод очевиден: эффективность коррекции неодинаковая для различных цветов.
В ранних вариантах системы SECAM максимум АЧХ корректора и соответственно минимум АЧХ цепи предыскажений настраивались на частоту fa, равную частоте покоя поднесущей частоты (когда сигналы D'R и D'B равны нулю). С точки зрения получения 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 некоторых цветов из-за низкой эффективности коррекции заметность шумов на изображении оказывалась недопустимо большой. Особенно заметными шумы были при передаче красного цвета. Необходимо было изменить частоту настройки цепей коррекции по отношению к частоте покоя поднесущей таким образом, чтобы для большинства цветов расстройка поднесущей по отношению к /о была примерно одинаковой.
Задача оказалась трудноразрешимой, так как для разных цветов и даже для сигналов D'R и DfB одного и того же цвета девиация заметно отличается, иногда не только по абсолютной величине, но и по знаку.
В табл. 12.2 приведены значения сигналов D'R и D'B для испытательного изображения цветных полос со 100%-ной насыщенностью н 75%-пым уровнем исходных сигналов ERy E'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'B, а значит, и девиация разнополярны. Сигналы для синего и голубого цветов имеют
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
271
Таблица 12.2
Сигнал	Значения сигналов для разных цветов							
	Белый	Желтый	Голубой	Зеленый	Пурпурный	Красный	Синий	Черный
E'R-y	0,00	0,08	-0,53	-0,44	0.44	0,53	-0,08	0,00
E'b-y	0,00	-0,67	0,22	-0,44	0,44	-0,22	0,67	0,00
d'r	0,00	-0,16	1,00	0,84	-0,84	-1,00	0,16	0,00
D'b	0,00	-1,00	0,34	-0,66	0,66	-0,34	1.00 ।	0,00
Рис. 12.22. Амплитудно-частотные характеристики цепи ВЧ предыскажений (а) и ВЧ корректора (5) сигнала цветности
полярность, противоположную желтому и красному. Поэтому задача оптимизации работы ВЧ корректора па всех цветах подбором частоты его настройки оказалась практически неразрешимой.
Поэтому в варианте системы SECAM-Шб пришлось перейти на модуляцию сигналами D'R и D'B не одной, а двух отличающихся по частоте поднесущих /н и fв, а максимум АЧХ ВЧ корректора и минимум АЧХ ВЧ предыскажений настраивать на частоту /о, лежащую между двумя этими значениями. При таком компромиссе удалось создать относительно удовлетворительные условия для работы корректора для большинства цветов. При этом предпочтение было отдано красному и пурпурному цветам, где заметность шума выше.
В результате были выбраны следующие значения немодулиро-ванных поднесущих при передаче «красной» и «синей» строк:
fR = 4406,25 кГц - (282Д); fB = 4250,00 кГц - (272Д).
Настройка максимума АЧХ ВЧ корректора в приемнике и минимума АЧХ ВЧ предысказителя в кодирующем устройстве производится на частоту /о — 4286 кГц.
На рис. 12.22 показаны амплитудно-частотные характеристики корректора и предысказителя, а также немодулированные значения поднесущих частот при передаче сигналов D'R и D'B. Следует обра-
272
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.23. Цепи ВЧ предыскажений (а) и ВЧ корректора (6)
тить внимание на несимметричное расположение немодулированных 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 составляет 0,307. а в «синей» (при передаче сигнала D'B) — 0,238 от размаха яркостного сигнала на белом.
Ниже приводится аналитическое описание АЧХ цепи ВЧ предыскажений (АЧХ корректора описывается обратной зависимостью):
где F = f/f, - h/fi h = 4,286 МГц.
На рис. 12.23 приведены примеры построения цепей предыскажений и коррекции. Они представляют собой частотно-зависимые делители, одним из плечей которых является последовательный или параллельный контур с резонансной частотой /о — 4,286 МГц. Добротность контуров Q — 16, отношение R/R^ — 11,7.
В процессе эксплуатации системы ВЕСАМ выяснилось, что, несмотря на применяемые НЧ и ВЧ коррекции, помехоустойчивость канала цветности при номинальной девиации поднесущей частоты 230 кГц, все же оставалась неудовлетворительной, особенно для сигнала D'r. Поэтому для ее улучшения номинальную девиацию в красных строках увеличили до 280 кГц. (Напомним, что номинальная девиация соответствует передаче цветоразностного сигнала, равного единице.) Таким образом, при передаче «красных» и «синих» строк отличаются как немодулированные значения поднесущих, так и их поминальная девиация. Увеличение девиации при передаче сигнала 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 Dr и D'b, обычно сохраняют старые значения коэффициентов, а увеличение девиации при передаче сигнала получают в дальнейших узлах тракта.
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
273
Рис. 12.24. Переходные характеристики цепи НЧ предыскажений без учета ФНЧ (1) и с учетом фильтра (2)
Амплитудное ограничение сигналов Dr и Dr. Амплитудно-частотной характеристике цепи НЧ предыскажений цветоразностных сигналов (см. рис. 12.17, кривая 3) соответствует переходная характеристика, изображенная на рис. 12.24 (кривая 1). Как видно из рисунка, характеристика имеет очень большой — 200%-пый выброс с достаточно продолжительным спадом (постоянная времени г = 0,63 мкс). Таким образом, в цветоразностных сигналах, соответствующих резким вертикальным цветовым переходам, появляются выбросы, суммарная амплитуда которых может превышать исходный сигнал в три 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 линейный. На практике трехкратное превышение амплитуды модулирующего сигнала привело бы к недопустимому увеличению девиации частоты в модуляторе. Некоторое уменьшение выбросов происходит под влиянием ФНЧ, устанавливаемого после цепи предыскажений (рис. 12.24, кривая 2), но это полностью не снимает проблемы, и поэтому размах выбросов на цветовых переходах уменьшают с помощью амплитудного ограничения. Стандартизованы следующие относительные уровни ограничения для сигналов DfR и D'B‘.
’ "'d+S	(12'14)
Им соответствуют предельные значения девиации, достигаемые при передаче выбросов, кГц:
= { +-1т ; °" = (ЛЛ <1215<
Так как средняя частота fn выше, чем /в, примерно на 150 кГц, такое несимметричное ограничение выбросов обеспечивает использо-18
274
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.25. Влияние амплитудного ограничения на форму сигнала после НЧ коррекции:
а — сигнал на выходе цепи НЧ предыскажений; 6 — сигнал на выходе НЧ корректора в приемнике
вание одного и того же диапазона девиации частот каждым из сигналов (примерно 3,9...4,8 МГц).
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. Однако это нельзя рассматривать как пропорциональное сокращение полосы частот канала цветности. Начальный участок перехода имеет нормальную крутизну (до момента срабатывания ограничителя), хотя вторая часть перехода сильно затянута, приводя к скруглению плоской части импульса (рис. 12.25).
Рассмотренные искажения цветовых переходов отчетливо видны в испытательном изображении цветных полос, особенно на границах между белым и желтым, желтым и голубым, зеленым и пурпурным цветами. Это наиболее «неприятный» сюжет для такого рода искажений. 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 проникают на вход частотного детектора, взаимодействуя в нем с сигналом цветности как помеха. Амплитуда прошедших в канал цветности яркостных компонентов в зависимости от сюжета может быть весьма значительной, превышающей существующий для ЧМ так называемый пороговый эффект. В этом случае резко возрастает паразитная девиация детектируемого сигнала. Па изображении возникают характерные искажения. Они проявляю гея в виде зубцов или «бахромы» за вертикальными яркостными переходами или участками с большой детальностью, приобретая иногда характер мерцающих синих или красных факелов. Эти помехи получили название «кросс-колор».
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
275
__Д_____ Уровень
у1у"~ "ограничения
А28 > f
Рис. 12.26. Корректор перекрестных искажений яркость-цветность
Стандартом на систему SECAM-Шб рекомендуется ослабление спектральных составляющих сигнала яркости в зависимости от их амплитуды в полосе частот сигнала цветности. Предназначенное для этого устройство называют корректором перекрестных искажений «яркость-цветность», который установлен в яркостном канале кодирующего устройства и может иметь структуру, изображенную на рис. 12.26.
Яркостный сигнал Еу поступает одновременно на два канала: один 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 по спектральному составу не отличается от входного. Просто разные частотные компоненты от входа на выход пройдут по разным каналам. Обратим внимание, что компоненты яркостного сигнала, проходящие по верхнему на рис. 12.26 каналу, и представляют потенциальную помеху для сигнала цветности. Поэтому если эти компоненты превышают по амплитуде определенное допустимое значение (цифра стандартом не оговаривается), то они должны быть ограничены. Это ограничение выполняется подборохм соответствующего уровня ограничения в ограничителе. Такихм образом, рассмотренный корректор адаптивно, в зависимости от передаваемого сюжета, воздействует на спектральный состав яркостного сигнала.
Применение более простого, пассивного устройства, состоящего только из одного режектирующего контура, настроенного на среднюю частоту поднесущей, дало бы худшие результаты. В этом случае постоянное подавление высокочастотных компонентов сигнала яркости снижало бы четкость изображения, поскольку мелкие детали в цветном телевидении передаются с помощью сигнала яркости.
Коммутация фазы поднесущей и особенности спектра сигнала цветности. Как отмечалось в п. 12.1.2, минимальная заметность поднесущей в изображении достигается при жесткой свя
1
27G
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
зи частоты поднесущей с частотами разверток. При этих условиях рисунок от помехи имеет менее заметную неподвижную структуру. Поэтому в системе NTSC частоты разверток образовывались делением частоты поднесущей. Этот метод получил название частотной синхронизации.
В системе SECAM такой способ неприемлем, так как частота поднесущей вследствие ЧМ непостоянна и не может быть связана с частотой разверток. Тем не менее добиться неподвижности структуры помехи и в этом случае возможно, если фиксировать фазу колебаний поднесущей в начале каждой строки. Это выполняется ударным запуском 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 получается 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 NTSC, невыгодна, так как в этом случае поднесущая всех «красных» строк оказалась бы в одной фазе, а «синих» — в другой, но также для всех строк в 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 поменялись бы местами с «синими» (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).
Нсмодулированные 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, в изображении удалось получить относительно жесткую структуру помехи от поднесущей, в некоторой степени хаотичную из-за девиации частоты, однако в реальных сюжетах малозаметную.
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
277
В заключение отметим особенности частотного спектра сигнала цветности в системе SECAM. Напомним, что модулирующие 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 системе NTSC), спектр модулированного сигнала сохраняет свою линейчатую структуру, но его компоненты соответствуют уже не строчным, а полустрочным гармоникам. В результате в системе NTSC достигалось отмеченное в предыдущих разделах перемежение спектров яркостного сигнала и сигнала цветности.
В системе SECAM поднесущие частоты кратны 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 системы SECAM в значительной степени (примерно в шесть раз) гармоники строчной частоты подавлены. Спектр в целом более густой, чем спектр яркостного сигнала, и содержит гармоники частот Д/6 и /к/6 [13].
Вопрос о спектре сигнала цветности системы SECAM носит не только теоретический характер. Развитие элементной базы, особенно цифровой, позволяет строить фильтры с избирательной гребенчатой селекцией даже таких сложных по структуре спектра сигналов, как в системе SECAM. Это, в свою очередь, позволяет лучше разделить сигналы яркости и цветности в декодирующем устройстве.
Сигнал цветовой синхронизации. В системе SECAM поочередная передача сигналов D'R и D'B 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’B) принимаемого сигнала с помощью сигнала цветовой синхронизации 1щс, или, как его часто называют, сигнала опознавания. Он формируется из серии девяти импульсов Sr и Sb трапецеидальной формы, замешиваемых в кодирующем устройстве в сигналы DR и с 7-й по 15-ю строку одного поля и с 320-й по 328-ю строку второго (рис. 12.27). Начало и конец каждого импульса совпадают соответственно с началом и концом активной части строки. Амплитуда импульсов равна уровням ограничения цветоразностных сигналов, подвергнутых НЧ предыскажениям, т.е. +1,25 для сигнала DR и —1,52 для сигнала DB. Таким образом, при их прохождении через частотный модулятор они займут весь диапазон девиации ча-
278
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.27. Формирование сигнала цветовой синхронизации:
г — формирующие сигналы Sr и Sb‘, б— сигнал цветовой синхронизации после частотного модулятора
стоты. В строках DfR частота сместится вверх до 4,756 МГц, а в строках D'B — вниз до 3,9 МГц. Различие в полярности сигналов Sr и 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.
12.2.3.	Структурная схема кодирующего устройства
Кодирующее устройство системы SECAM (рис. 12.28) предназначено для формирования из исходных сигналов основных цветов E'R, Eq и Е'в полного видеосигнала ип, содержащего яркостный сигнал Е'у, сигнал цветности us и сигнал синхронизации приемника ССП. Работу кодирующего устройства проиллюстрируем осциллограммами сигналов испытательного изображения цветных полос. Эти полосы состоят из основных цветов приемника: красного К, зеленого 3 и синего С и дополнительных к ним цветов — голубого Г, пурпурного П и желтого Ж. Белая и черная полосы позволяют иметь опорные уровни в 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 100%-ной насыщенности с 75%-ной амплитудой (сигнал 75%-ной яркости).
Рис. 12.28. Структурная схема кодирующего устройства системы SECAM
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения	279
280
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
0,75
Рис. 12.29. Сигналы основных цветов и сигнал яркости испытательного изображения цветных полос 100%-ной насыщенности и с 75%-ной яркостью
Сигнал яркости Еу (см. рис. 12.29) и цветоразностные сигналы DR и DfB (см. рис. 12.30) формируются в матричном устройстве в соответствии с приведенными ранее соотношениями. Канал яркостного сигнала включает в себя корректор перекрестных искажений (см. рис. 12.26) и широкополосное устройство задержки (например, линию задержки ЛЗ), выравнивающее во времени широкополосный сигнал Еу, и относительно узкополосный сигнал цветности us- Затем сигнал яркости поступает на сумматор, где смешивается с сигналом цветности и импульсами синхронизации приемника. Цветоразностные сигналы D'r и D'B в цепях НЧ предыскажений подвергаются линейной коррекции с подъемом на верхних частотах. Для этих цсчтей АЧХ приведена на рис. 12.17. После предыскажений в цветоразностные сигналы во время обратного хода по вертикали замешиваются сигналы цветовой синхронизации Sr и Sb (см. рис. 12.27). Дальнейшая обработка и передача сигналов D'R и D'B осуществляются поочередно с частотой строк, реализуемой электронным коммутатором, который переключается симметричными прямоугольными
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
281
Рис. 12.30. Формирование сигналов в системе SECAM:
а — цветоразностные сигналы ER_y, Е'в_у; б—сигналы D'R, D'B\ в — сигналы I)'R, D’g после НЧ предкоррекции; г— сигнал цветности; д — полный сигнал
282
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
импульсами (меандром), частота которых в два раза ниже частоты переключения, т.е. равна /-/2.
Ограничение цветоразностных сигналов по полосе частот и устранение нежелательных коммутационных помех, возникающих при работе электронного коммутатора, производятся с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ). Сквозная АЧХ цепи 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 формулы (12.14), уровни ограничения для сигналов D'R и D'B отличаются. Поэтому на амплитудный ограничитель дополнительно подаются симметричные прямоугольные импульсы, которые с частотой строк смещают на соответствующую постоянную составляющую сигналы и DB относительно фиксированных уровней ограничения. При этом размах сигнала D'R увеличивается в 1,22 раза (см. п. 12.2.2).
С выхода ограничителя сигнал поступает на частотный модулятор, на входе которого включена схема фиксации уровня. Основной особенностью работы ЧМ в системе SECAM является, во-первых, модуляция сигналами D'R и DB двух отличающихся по частоте поднесущих, во-вторых, необходимость поддержания с высокой степенью точности номинальных значений поднесущих (/я — 4406,25 ± 2 кГц; /в = 4250 ± 2 кГц). Непосредственная стабилизация этих частот невозможна. В схеме рис. 12.28 используется импульсная 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. п. 12.2.2)
Обычно в качестве модулятора используется генератор с самовозбуждением, обеспечивающий достаточно хорошую стабильность начальной частоты (в момент его включения) и линейность модуляционной характеристики. 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 А 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. При этом равенство фаз колебаний должно быть обеспечено в самом начале строки. Для обеспечения этого процесса колебания ЧМ в конце каждой строки срываются импульсами срыва, и запуск генератора начинается всегда с одной и той же фазы.
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
283
Рис. 12.31. Защитная цветовая вспышка
Строчный синхронизирующий импульс
Эталонные генераторы подключаются к фазовому детектору поочередно, с помощью коммутатора, работающего синхронно с коммутатором сигналов D'R и DfB. Стабильность частоты колебаний эталонных генераторов обеспечивается с помощью кварцевых фильтров. Неизменность фазы колебаний в начале каждой строки достигается возбуждением генераторов короткими импульсами, следующими с частотой строк.
Таким образом, стабилизация частоты и фазы ЧМ генератора обеспечивается схемой автоподстройки только в течение интервала обратного хода строчной развертки. Дальнейшее поддержание 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 для уменьшения заметности поднесущей на изображении производится изменение фазы колебаний по рассмотренному в п. 12.2.2 закону. Затем следует цепь высокочастотных предыскажений, АЧХ которой изображена на рис. 12.22 и соответствует зависимости (12.13). Отметим, что одной из особенностей работы этой цепи является ее воздействие на амплитуду сигнала цветности. В результате ЧМ сигнал цветности приобретает вид амплитудно-модулированного колебания (см. 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
284
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
амплитудных ограничителях сигнала цветности (включаемых перед частотными детекторами) режим ограничения установился до начала активной части строки. При отсутствии защитных цветовых вспышек изображение у левого края экрана будет искажено сильными шумами и переходными процессами [30]. Последние также имеют место в НЧ корректоре приемного устройства. 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'B, а также частотных модуляторов.
12.2.4.	Структурная схема декодирующего устройства
Декодирующее устройство системы SECAM, так же как и кодирующее, содержит два канала: канал яркостного сигнала и канал 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.
Канал цветности. Полный цветовой сигнал ип с видеодетектора поступает на ВЧ корректор сигнала цветности, с помощью которого достигается, во-первых, увеличение отношения сигнал/шум, во-вторых, выделение из 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 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 слишком глубоком ограничении может сопровождаться увеличением заметности шумов. Поэтому в лучших образцах устройств, уменьшая уровень ограничения, в канал цветности вводят цепь автоматической регулировки усиления (АРУ).
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
285
Рис. 12.32. Структурная схема декодирующего устройства системы SECAM
Ограниченный по амплитуде сигнал цветности поступает на два входа электронного коммутатора (ЭК). На один вход он подается непосредственно, а на второй — с задержкой на длительность строки. В качестве устройства задержки до сих пор широко используется ультразвуковая линия задержки (УЛЗ). В ней сигнал цветовой поднесущей преобразуется в волну ультразвука, которая распространяется внутри специального звукопровода. На приемном конце звуко-провода 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 УЛЗ имеют полосу не более 2,6 МГц (на уровне —3 дБ). У массовых образцов линий полоса не превышает 2 МГц.
Если устройства задержки на УЛЗ включаются в тракт сигнала цветности, т.е. работают на частоте поднесущей, то устройства задержки другого типа предполагают обработку уже демодулирован-пых цветоразностных сигналов. Функции задержки в них обеспечиваются либо регистрами на приборах с зарядовой связью, либо оперативными запоминающими устройствами. В последнем случае цве
286
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
торазностные сигналы обрабатываются или в цифровой форме [30, 31], или в аналоговой (запоминанием отдельных отсчетов сигнала в регистре из совокупности переключаемых конденсаторов). Эти типы устройств задержки являются более перспективными, чем УЛЗ.
Во всех случаях для системы SECAM устройство задержки должно удовлетворять требованию точности и стабильности задержки с погрешностью Дг 30 нс, где т — время задержки, равное 64 мкс. Невыполнение этого требования приводит к искажениям в виде зубчатости на вертикальных цветовых переходах, заметным на экране.
Электронный коммутатор распределяет прямой и задержанный сигналы таким образом, что на один из выходов всегда поступает сигнал, соответствующий передаче D'R, а на другой — D'B. 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.
После электронного коммутатора разделенные сигналы цветности поступают на вторую ступень амплитудного ограничения, устраняющую помехи и паразитную амплитудную модуляцию, вызванную неравномерностью АЧХ устройства задержки и коммутатора, а также возникающими в устройстве задержки отраженными сигналами. Последнее характерно для УЛЗ. 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 E'R_y и Ев_у (а не D'R и DrB, которые передавались на поднесущей). С этой целью амплитудно-частотной характеристике детектора в канале R-Y придается противоположный наклон по отношению к АЧХ детектора в канале B-Y (так как Dr — —1,9ER_y). Соответственно коэффициентам компрессии подобраны и размахи сигналов цветности на входах частотных детекторов. В большинстве частотных детекторов используют колебательные контуры. Их настраивают на номинальные значения двух поднесущих частот /д и fp.
После детектирования цветоразностные сигналы подвергают низкочастотной коррекции, повышающей отношение сигнал/шум. АЧХ корректоров обратны АЧХ цепей НЧ предыскажений (см. рис. 12.17). Часто с НЧ корректором совмещают цепь подавления поднесущей частоты, присутствующей на выходе частотного детектора. Эта цепь представляет собой ФНЧ со срезом FB = 2 МГц.
Наконец, с помощью матрицы G-Y из цветоразностных сигналов E'r у и Е'в_у формируется сигнал Е'с,_у.
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
287
Рис. 12.33. Формирование корректирующего импульса цветовой синхронизации:
а — функциональная схема устройства цветовой синхронизации; 6— сигналы Sr, Sb на входах устройства; в— импульсы на интегрирующей емкости
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 устройство цветовой синхронизации пропускаются только импульсы сигнала цветовой синхронизации. Для этого он открывается импульсами частоты полей /2п с 7-й по 15-ю и с 320-й по 328-ю строки. Рассмотренная схема достаточно помехоустойчива, поскольку импульсные помехи па выходе матрицы вычитаются, а флуктуационные ослабляются интегрированием.
Устройство цветовой синхронизации обеспечивает также выключение канала цветности, если передается сигнал черно-белого те-
288
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.34. Амплитудно-частотная характеристика режекторного фильтра
левидения или цветного телевидения, но другой системы. В схеме рис. 12.32 выключение производится подачей запирающего напряжения на амплитудные ограничители. Выключение канала цветности при указанных обстоятельствах является необходимым, поскольку в противном случае на экране наблюдаются помехи импульсного и шумового характера.
Рассмотренный метод цветовой синхронизации получил название кадровой цветовой синхронизации. Применяется и так называемая строчная цветовая синхронизация, в которой вместо сигналов Sr и Sb используются защитные цветовые вспышки, передаваемые на задних площадках строчных гасящих импульсов (см. рис. 12.30,д и 12.31). В «красных» и «синих» строках они отличаются по частоте (их частоты равны немодулированным значениям поднесущих частот fR и /5). Это отличие удобно использовать в приемном устройстве для опознавания того, какой сигнал (D'R или D'B) передается с тем, чтобы правильно сфазировать электронный коммутатор.
Исключение сигналов кадровой цветовой синхронизации Sr и Sb позволяет освободить соответствующие интервалы кадрового гасящего импульса для передачи во время вещания другой, дополнительной информации, например телетекста.
Канал яркости. Он содержит в себе широкополосное устройство задержки на 0,4...0,7 мкс для выравнивания времени прохождения сигналов в широкополосном яркостном и узкополосном каналах цветности. Кроме того, в яркостном канале включается устройство режекции, подавляющее колебания цветовой поднесущей. В системе SECAM это более актуально, чем в системе NTSC. Помимо того, что структура рисунка от ЧМ поднесущей более заметна на экране, из-за нелинейности модуляционной характеристики кинескопа неподавленные колебания поднесущей детектируются, вызывая подсветку изображения. Эта подсветка проявляется в виде сильно ухудшающей качество изображения разнояркости строк, так как амплитуда поднесущей в строках D'R и DfB принципиально различна.
Режекторный фильтр в современных приемниках настраивается па подавление двух характерных частот: 4,02 и 4,69 МГц (рис. 12.34). Эти частоты соответствуют передаче желтого и голубого цветов, для которых из-за ВЧ предкоррекции амплитуды поднесущих достигают максимального значения. Чтобы режекция не ухудшила четкость изображения при передаче черно-белых программ, она отключается
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
289
с помощью управляющего напряжения с устройства цветовой синхронизации.
12.2.5.	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 дифференциально-фазовым 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 ЧМ 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 ухудшается. Проявляется так называемый пороговый эффект частотной модуляции, когда помеха «захватывает» частотный детектор, т.е. обусловливает непропорционально большую паразитную девиацию поднесущей частоты. При этом спектр шумов преобразуется таким образом, что максимум их спектральной плотности приходится на нижние частоты, вызывая на изображении Ьолее заметную крупноструктурную помеху.
I!)
290
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Система SECAM, несмотря на значительно менылий, чем в системе NTSC, размах сигнала цветности, обладает худшей совместимостью. В черно-белых телевизорах, где отсутствует режекция поднесу щей. 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 ЧМ. Искажения «цветность-яркость», как отмечалось, проявляются в виде разнояркости строк, причем на гладких полях изображения эта разнояркая структура как бы «плывет» по вертикали. Иногда на изображении заметны 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 его превышении происходит ограничение размаха поднесущей, что усугубляет указанные явления.
Уже отмечалось, что НЧ предкоррекция в совокупности с последующим ограничением приводит в системе SECAM к затягиванию вертикальных цветовых переходов, уменьшая таким образом горизонтальную цветовую четкость. Это явление заметно 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 принципиально 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 воспроизводится в некоем третьем, искаженном цвете. С цветовыми искажениями воспроизведется и соседняя строка из второго поля. Это увеличивает длительность переход.а, но самое главное, что 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
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
291
частотой 12,5 Гц и воспринимается как очень заметное дрожание по вертикали горизонтальных цветовых переходов на высоту двух строк.
Наконец, следует отметить возможные характерные искажения изображения в системе SECAM из-за неточности устройства задержки на длительность строки. Хотя эти искажения присущи системе не в принципе, а лишь вследствие несовершенства аппаратуры, они все же являются достаточно специфичными: на вертикальных границах цветовых переходов возникает зубчатость. 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 УЗЛ, требования к неточности задержки делают более жесткими (30 нс).
Несмотря на перечисленные недостатки, при благоприятных условиях приема (отношение сигнал/шум больше 18 дБ) для большинства сюжетов система SECAM обеспечивает весьма высокое качество изображения, не уступающее системам NTSC и PAL.
12.3.	Система цветного телевидения PAL
Система PAL была разработана немецкой фирмой Telcfunkcn 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, Австралии, в некоторых странах Южной Америки). Название системы представляйт собой аббревиатуру из начальных букв английской фразы «Phase Alternation Line» (чередование фазы по строкам).
12.3.1.	Общие принципы системы
Система PAL, созданная как альтернатива системе NTSC, тем не менее может рассматриваться как ее удачная модернизация. В ней используются те же сигналы, что и в других системах цветного телевидения, а передача этих сигнгхлов та же, что и в системе 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.
19
292
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
(п — 1)-я строка n-я строка (и 4- 1)-я строка (п 4- 2)-я строка
Рис. 12.35. Коммутация фазы поднесущей при передаче сигнала цветности в системе PAL
На рис. 12.35 показан принцип формирования сигнала цветности в системе PAL. Так же как и в системе NTSC, он образуется из двух квадратурных составляющих U^-y и Up_y. Однако одна из этих составляющих, U^-y, с началом каждой следующей строки меняет фазу на 180°. Результирующие векторы сигнала цветности Us и UJ оказываются в соседних строках комплексно-сопряженными. Чтобы правильно декодировать такую последовательность сигналов, в синхронном детекторе сигнала EfR_Y приемного устройства необходимо с такой же периодичностью, что и на передающем конце, коммутировать на 180° фазу опорного генератора поднесущей частоты. Действительно, если такая коммутация отсутствует, то на выходе детектора сигнал EfR_Y от строки к строке меняет свою полярность. Коммутация фазы опорного генератора в синхронном детекторе эквивалентна обратному превращению векторов U^_y и UJ в их исходные комплексно-сопряженные вектора U/?_y и Us соответственно. Условия работы синхронного детектора B-Y не отличаются от его работы в системе NTSC.
Выясним, как при такой процедуре коммутации фазы 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/B-Y отмечены некоторые характерные цвета и вектор Usn, соответствующий передаче пурпурного цвета. В обозначении вектора определена его принадлежность n-й строке. В соответствии с принципом передачи сигналов в системе PAL в (п 4- 1)-й строке будет передаваться вектор U^n+1p комплексно сопряженный с вектором Usn- Если в тракте возникнут дифференциальнофазовые искажения, то независимо от их причин векторы Usn и U^(n4_i) изменят свое положение по отношению к исходным на одну и ту же величину Д<р (см. рис. 12.36,6). На рисунке фазовая ошибка сместила оба вектора против часовой стрелки (штриховыми линиями показаны неискаженные векторы).
В приемном устройстве коммутация фазы опорного генератора поднесущей в канале R-Y превратит вектор U^n+1^ в сопряженный с ним вектор Us(n+i) (см. рис. 12.36,в). Для анализа возникших
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
293
Рис. 12.36. Компенсация дифференциально-фазовых искажений в системе PAL:
а — цветовая диаграмма; 6 — фазовая ошибка при передаче сигнала; в — сигналы в приемнике после коммутации фазы опорного колебания; г— совмещение сигналов двух смежных строк
в процессе передачи искажений совместим векторы Usn и Us(n+i) на одном графике (рис. 12.36,г). Из него видно, что соседние п-я и(п + 1)-я строки искажены по-разному. Цвет n-й строки сместился в сторону красного, а цвет (п + 1)-й строки — в сторону синего цвета. Неискаженный цвет (в данном примере пурпурный) соответствует среднему между векторами Usn и Us(n+1) положению. Таким образом, усреднение двух этих векторных величин позволило бы скомпенсировать возникшие в процессе передачи фазовые искажения. Наиболее простым способом усреднения является усреднение ощущений самим зрительным аппаратом. Благодаря близости расположения друг к другу n-й и (п + 1)-й строк работает механизм пространственного сложения цветов. Разные из-за искажений цветовые оттенки двух соседних строк смешиваются, вызывая ощущение среднего между ними цвета, компенсируя таким образом искажения.
Рассмотренный способ зрительной компенсации искажений реализуется в так называемом «простом» приемнике системы PAL (Simple PAL или PALs). Этот приемник практически ничем не отличается от приемника системы NTSC, кроме добавленного в устройство синхронного детектора коммутатора фазы опорного генератора. Изображение в приемнике системы PAL 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 оказыва-
294
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.37. Компенсация цветовых искажений путем сложения сигналов соседних строк
К синхронному
Рис. 12.38. Блок задержки сигнала в системе PAL
ется 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 PAL не распространен.
Лучшие результаты позволяет получить электрическое сложение векторов цветности U$n и Us(n+1) двух соседних строк поля (рис. 12.37). Геометрическая сумма (точнее, полусумма) этих векторов соответствует на цветовой диаграмме положению неискаженного цвета. Заметим, что скомпенсированными оказываются искажения только цветового тона, так как длина результирующего вектора Uss зависит от фазовой ошибки. Из рисунка видно, что с увеличением ошибки (Д</?2 > Д<Р1) длина суммарного вектора уменьшается (|Uss2| < |Ussi I). Это уменьшение пропорционально cos Ду?. Поскольку длина вектора определяет насыщенность передаваемого цвета, можно сделать вывод о том, что в системе PAL искажения цветового тона из-за фазовых ошибок трансформируются в изменения 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 Д</> = 37°.
Механизм компенсации фазовых ошибок в системе PAL устраняет не только дифференциально-фазовые искажения (то главное, для чего первоначально он был разработан). Таким же образом уменьшается влияние на качество изображения точности восстановления поднесущей опорным генератором в приемнике. Ошибка Д99 в фазе колебаний опорного генератора эквивалентна повороту осей цвето-
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
295
Рис. 12.39. К работе блока задержки сигнала в системе PAL
вого графика относительно передаваемых векторов цветности Uи Us(n+i) на тот же угол Д<р. А это, как было показано, компенсируется усреднением этих векторов.
Способ усреднения, основанный на суммировании, предполагает одновременное присутствие сигналов двух последовательно передаваемых строк. Поэтому приемное устройство PAL должно содержать 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 присутствует сигнал предшествующей 71-й строки. Подавая эти сигналы на сумматор, можно получить желаемую компенсацию искажений. Однако в декодере PAL чаще используют несколько иную схему, называемую блоком задержки (рис. 12.38), содержащую не один, а два сумматора. Такая схема позволяет не только проводить усреднение сигналов двух строк, но и разделять между собой две квадратурные составляющие сигнала цветности. Это разделение более эффективно, чем разделение в синхронных детекторах, которое делается в системе NTSC, а значит, возникновение перекрестных искажений между сигналами E'R_Y и Е'н._у менее вероятно. На рис. 12.39 показана последовательность сигналов цветности, поступающая на вход блока задержки PAL (точка Л). В точке Б эта последовательность сигналов задержана на один строчный интервал. Сложение сигналов в сумматоре 1 этих двух последовательностей приводит к компенсации квадратурной составля
296
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
ющей U#_y. С выхода сумматора (точка В) снимается удвоенная амплитуда сигнала TJb-y-
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) отсутствует составляющая \Jb-y и остается только последовательность чередующихся сопряженных векторов и#_у' и	Амплитуда их также удвоенная. Квадра-
турные составляющие и U^-y оказываются полностью разделенными еще до синхронного детектирования.
12.3.2.	Структурная схема кодирующего устройства
Основные параметры системы PAL. В системе PAL передаются яркостный сигнал Еу и два цветоразностных сигнала U и V. Сигналы U и V равны цветоразностным сигналам E'R_y и Ев_у, уменьшенным на коэффициенты компрессии:
U = 0,493Е^_у; V = Ь£77Е'В_У.	(12.16)
Назначение и величины коэффициентов компрессии такие же, как и в системе NTSC. Формирование сигналов Еу, U и V производится в матрицирующем устройстве (рис. 12.40). Полосы частот видеосигналов U и V ограничиваются ФНЧ до значения 1,3 МГц на уровне —2 дБ. В сумматорах 1 и 2 цветоразностные сигналы 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 иу. Смена фазы этой составляющей через строку осуществляется коммутатором, соединяющим модулятор или непосредственно с фазовращателем 90°, или с дополнительным инвертором на 180°. Коммутация обеспечивается генератором коммутирующих импульсов, синхронизируемым с частотой строк.
Квадратурные составляющие ив и иу, складываясь в сумматоре 5, образуют сигнал цветности us, который вместе с сигналами яркости и синхронизации приемника представляет собой полный цветовой сигнал ип. Устройство задержки в тракте яркостного сигнала имеет то же назначение, что и в системах NTSC или SECAM.
Генератор поднесущей является высокостабильным устройством с кварцевой стабилизацией частоты fs = 4,43361875 МГц. Так же, как и в системе NTSC, обеспечивается жесткая связь между частотой поднесущей и частотами разверток. Однако выбор значения поднесущей в системе PAL имеет свои особенности. Прежде всего они
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
297
Рис. 12.40. Структурная схема кодирующего устройства системы PAL
связаны с коммутацией фазы сигнала иу (каждая строка на 180°). Такая коммутация не позволяет выбирать поднесущую, равной нечетной гармонике полустрочной частоты (12.3). В этом случае нечетность полупериодов поднесущего колебания в строчном интервале плюс коммутация фазы на 180° обусловили бы совпадение по фазе сигнала иу 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 иц, передаваемая без коммутации фазы, создавала бы такую же помеху.
Разработчиками системы было принято компромиссное решение. Частоту поднесущей выбрали равной сумме нечетной гармоники че-твертьстрочной частоты fz и частоты кадров /к:
/s = 1135Д/4 +/к.	(12.17)
Приближенно эта зависимость может быть выражена как
Л = (283+ 3/4) Л,
что определит размещение в строчном интервале 284 периодов поднесущей бёз 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 /к в (12.17) обусловливают дополнительную смену полярности поднесущей в каждом поле на 180°. Эксперименты показали, что такой выбор поднесущей обеспечил высокое качество совместимости системы PAL.
298_
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
225Д 1/2 Л
227/- 3,58 МГц
229/- /
Рис. 12.41. Структура спектра цветового сигнала:
а — с полустрочным сдвигом в системе NTSC; 6— с четвертьстрочным сдвигом в системе PAL; Y — гармоники яркостного сигнала; Ц— гармоники сигнала цветности
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 1/4Д). Это несколько усложняет, но не исключает возможности гребенчатой фильтрации при разделении этих сигналов в приемнике.
Остановимся на особенностях формирования сигнала цветовой синхронизации в системе PAL. Применение балансной модуляции требует синхронизации с точностью до фазы опорного генератора в приемнике. Поэтому в системе PAL так же, как и в системе NTSC, на задней площадке строчного гасящего импульса передается сигнал цветовой синхронизации (цветовая вспышка), по форме аналогичный сигналу NTSC (см. рис. 12.G). Различие этих сигналов заключается в фазе колебаний вспышки. В системе PAL необходимо передавать информацию о том, в какой фазе (90 или 270°) передается в данной строке составляющая иу. Эта информация кодируется изменением фазы колебаний цветовой вспышки. При передаче сигнала иуу совпадающего по фазе с положительным направлением оси R-Y, фаза цветовой вспышки делается равной 135° (рис. 12.42,а). В следующей строке сигнал иу меняет свою фазу на 180°. Соответственно фаза вспышки становится равной —135° (рис. 12.42,6).
Формирование цветовой вспышки в кодирующем устройстве сводится к замешиванию в сигналы U и V прямоугольных импульсов отрицательной и положительной полярности соответственно. Эти-
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
299
Рис. 12.42. Сигналы цветовой синхронизации на векторной диаграмме: а — 71-я строка; 6— (п 4- 1)-я строка
Рис. 12.43. Спектр полного цветового сигнала в системе PAL
ми импульсами, временное положение которых соответствует задней площадке строчного гасящего импульса, в балансных модуляторах будут созданы две квадратурные составляющие вспышки. Одна из этих составляющих всегда совпадает с отрицательным 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°.
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 и и и иу 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 позволяет сделать эти искажения минимальными, практически не сказывающимися на качестве изображения.
12.3.3.	Структурная схема декодирующего устройства
В настоящее время существует большое разнообразие каналов цветности PAL. На рис. 12.44 приведена укрупненная структурная схема наиболее распространенного варианта, в котором используется рассмотренный в п. 12.3.1 блок задержки. Этот канал получил название PALd (от слова delay — задержка).
Полный цветовой сигнал ип разделяется с помощью режекторно-го и полосового фильтров на два сигнала: яркости Еу и цветности us> Фильтры настроены на частоту цветовой поднесущей fs = 4,43 МГц. В более совершенных декодирующих устройствах это разделение сигналов осуществляется с помощью гребенчатых фильтров. Канал яркостного сигнала практически ничем не отличается от соответствующих каналов в декодерах систем NTSC и SECAM. Сигнал цветности,
300
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.44. Декодирующее устройство системы PAL
прежде чем поступить на блок задержки, подвергается 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 устройство задержки на 64 мкс, инвертор на 180° и два сумматора, был рассмотрен ранее.
Однако следует отметить некоторые дополнительные особенности его работы. В частности, необходимо более полно рассмотреть вопрос о времени задержки. Принцип действия системы PAL предполагает время задержки равным длительности строчного интервала, т.е. 64 мкс. Однако для правильной работы сумматоров необходимо также учитывать фазовые соотношения прямого и задержанного сигналов, у которых сдвиг по фазе в соответствии с выбором поднесущей частоты составляет четверть периода поднесущего колебания (12.16). При таких условиях в сумматорах не происходит разделение квадратурных составляющих иц пиу. Для правильного функционирования сумматоров необходимо, чтобы прямой и задержанный сигналы находились либо в фазе, либо в противофазе. Только в этом случае сложением или вычитанием компенсируется одна из квадратурных составляющих, и сигналы разделяются. Достичь этого можно, если
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
301
задержка будет составлять целое число полупериодов поднесущей частоты. Ближайшими к длительности строчного интервала являются значения задержки т = 568Ts/2 или 5677s/2, где Ts — период поднесущего колебания. Было выбрано второе значение, и устройства задержки PAL изготовляют с т = 567Т$/2.
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 соизмеримым с размером одного элемента изображения (80 нс).
Выбор величины задержки в системе PAL, равной нечетному числу полупериодов поднесущей, обусловливает противофазность сигнала иу в двух соседних строках и соответственно синфазность сигнала и у. Поэтому в структурной схеме рис. 12.44 инвертор на 180° перенесен из канала иу в канал иу (для сравнения см. рис. 12.38). Разделенные в блоке задержки сигналы иу и иу подаются на входы двух синхронных детекторов, осуществляющих демодуляцию цветоразностных сигналов E'r_y и Е'в_у.
Необходимые для работы синхронных детекторов опорные колебания поднесущей вырабатываются генератором fs, частота и фаза которого задаются цветовой вспышкой с помощью управляющего сигнала. Этот сигнал вырабатывается в устройстве фазовой автоподстройки частоты, содержащим кроме генератора фазовый детектор (ФД) и ФНЧ. Колебания генератора в ФД сравниваются по частоте и фазе с колебаниями цветовой вспышки. Генератор должен вырабатывать колебания, фаза которых совпадает с положительным направлением оси R-Y (90°). При этом на выходе ФД вырабатываются симметричные разнополярные импульсы, соответствующие чередованию фазы вспышки ±135°. Напряжение па выходе ФНЧ, выделяющего постоянную составляющую из этих симметричных импульсов, будет равно нулю. Если фаза колебаний генератора fs по каким-либо причинам не совпадает с осью R-Y, амплитуды импульсов на выходе ФД не будут равны, и ФНЧ выработает отличное от нуля управляющее напряжение, которое подстроит фазу генератора. Сдвиг фазы генератора на -90° обеспечит опорное колебание для синхронного детектора B-Y. На этот синхронный детектор подается поднесущая, у которой фаза коммутируется через строку (90/270°).
Коммутатор фазы в приемном устройстве должен работать син-фазно с коммутацией сигнала на передающем конце системы. Для этого генератор коммутирующих импульсов управляется устройством цветовой синхронизации. На это устройство в качестве информации о том, какой в данный момент времени передается сигнал (Uy или Uy), с выхода фазового детектора поступают импульсы, полярность которых определяется направлением вектора цветовой вспышки (см. рис 12.42).
302
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Кроме того, устройство цветовой синхронизации закрывает канал цветности и выключает режекцию в яркостном канале, если передается черно-белая программа или принимается сигнал другой вещательной системы.
12.3.4.	Эксплуатационные характеристики системы
Система PAL, в основе которой лежит передача цветоразностных сигналов путем квадратурной балансной амплитудной модуляции, обладает теми же достоинствами, что и система NTSC: хорошая совместимость, эффективность разделения сигналов яркости и цветности, высокая помехоустойчивость к флуктуационным шумам и др. (см. п. 12.1.6). Наряду с этим принцип коммутации фазы 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 дифференциально-фазовым искажениям сигнала цветности. Для рассмотренного в п. 12.3.3 декодера PAL с задержкой допускается ошибка в фазе 40°. В некоторых вариантах декодеров PAL этот допуск еще больше [30].
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 системы NTSC и тем более системы 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. Это объясняется тем, что в системе PAL усредняются цветности двух соседних строк, а не их отдельные цветоразностные составляющие. По этой же причине для системы PAL не характерна, как для системы SECAM, разнояркость строк и их мерцание. Приемник системы PAL менее чувствителен к эхосигналам.
К недостаткам системы PAL, причем весьма условно, можно отнести несколько большую сложность приемника по сравнению с системой NTSC (наличие блока задержки) и уменьшение цветовой четкости по вертикали.
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ	303
Глава 13
АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
13.1.	Передача телевизионного сигнала в цифровой форме
13.1.1.	Формирование потоков цифрового ТВ сигнала
В гл. 5 были изложены принципы преобразования ТВ сигнала в цифровую форму и его эффективного кодирования. В вещательном телевидении, как было сказано, кодирование сигнала осуществляется по стандарту MPEG-2. Этот стандарт регламентирует также форму «упаковки» всех видов информации, которая должна быть передана в составе ТВ программы — изображение, звук и дополнительные данные.
При формировании единого потока данных стандарт MPEG-2 предусматривает две формы такого потока — программный и транспортный потоки. Оба потока состоят из элементарных пакетных потоков (Packetized Elementary Stream, PES), состоящих, в свою очередь, из отдельных пакетов (рис. 13.1). В начале заголовка каждого пакета (PES-пакета) содержатся информация идентификации потока, сведения о принадлежности его к определенной программе. В заголовок может быть также включена дополнительная информация — об авторских правах, о правах доступа, о приоритете, и т.д. Кроме того, для синхронизации потоков в процессе декодирования в заголовок пакетов включаются метки времени представления (Presentation Time Stamps, PTS) и метки времени декодирования (Decoding Time Stamps, DTS).
Элементарные потоки, соответствующие одной ТВ программе, объединяются в программный поток (структура программного потока показана на рис. 13.1), который состоит из блоков, а они, в свою очередь, из отдельных PES-пакетов, содержащих видеоинформацию, звук и данные. Каждый блок содержит заголовок блока и несколько PES-пакетов. Длина блока не ограничивается стандартом, однако в заголовках блоков содержится информация, необходимая для работы декодера, поэтому заголовки должны появляться не реже, чем через 0,7 с [32]. Это требование связано с тем, что в заголовке блока содержится также информация о системном времени, о передаваемом числе видео- и звуковых элементарных потоках.
Если программный поток объединяет элементарные потоки, образующие одну ТВ программу, то транспортный поток (рис. 13.2)
304
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Начало блока программного пакета
Рис. 13.1. Структура, потоков данных в цифровом телевидении
Элементарный поток 1 (видео)
Элементарный поток 2 (звук)
Элементарный поток 3 (данные) Информация о программе 1 (РМТ)
Поток программы 1
Поток программы 2
Информация о______
наборе передаваемых программ (РАТ)
Транспортный
поток
Рис. 13.2. Формирование транспортного потока
может объединять пакетные элементарные потоки, соответствующие нескольким программам и имеющие различные метки времени. Транспортный поток состоит из коротких пакетов фиксированной длины (188 байт), называемых транспортными пакетами [32]. Именно в транспортные пакеты вводится дополнительная информация для коррекции ошибок, возникших из-за действия помех во время передачи. Этот процесс называется канальным кодированием (см. п. 13.1.2).
В транспортный поток включается также программная информация (Program Specific Information, PSI). Стандарт MPEG-2 предполагает передачу в составе транспортного потока четырех видов специальных данных, так называемых таблиц, содержащих информацию о передаваемых программах: это таблица соединения программ (Program Assotiation Table, РАТ), таблица плана программ (Program Map Table, РМТ), несущие информацию о том, какие именно программы и под какими номерами передаются в данный момент в составе транспортного потока, а также таблица сетевой информации (Network Information Table, NIT) и таблица условного доступа (Conditional Access Table, CAT) [32, 33].
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
305
13.1.2.	Канальное кодирование
Как известно, само по себе представление сигнала в цифровой форме еще не означает повышения помехоустойчивости передачи по сравнению с аналоговым сигналом. В свою очередь, последствия воздействия помех на цифровой сигнал зависят от того, какая его часть поражена помехой. Ошибка, которая может появиться, например, при передаче старшего разряда кодового слова; может иметь более серьезные последствия для качества передаваемого изображения, чем ошибка при передаче одного элемента изображения в аналоговом телевидении.
В процессе передачи информация подвергается кодированию. Существуют разные способы кодирования, предназначенные для решения требуемых задач. Например, есть способы кодирования для исключения несанкционированного получения информации, существуют и другие задачи кодирования. В гл. 5 речь шла о так называемом «кодировании» источника, т.е. о таком кодировании, которое имеет основной целью сокращение цифрового потока при передаче на основании свойств источника информации. Существует еще и так называемое «канальное кодирование». Оно позволяет, зная статистические свойства помех, закодировать передаваемую информацию таким образом, чтобы отрицательные последствия от действия помех были минимальны. Канальное кодирование, таким образом, необходимо исключительно для повышения помехоустойчивости передачи информации на приемную сторону.
Принцип канального кодирования заключается в использовании специальных кодов, предполагающих добавление к передаваемому сигналу избыточной информации. Простейший пример такого кодирования — добавление к передаваемому кодовому слову дополнительного разряда, позволяющего осуществить так называемую «проверку на четность». Однако эта проверка является достаточно примитивной — она позволяет лишь обнаружить наличие ошибки в передаваемой кодовой последовательности, но не скорректировать ее.
Существуют коды, позволяющие не только обнаруживать ошибки при передаче, но и исправлять их [34] (рис. 13.3). Коды, корректирующие ошибки передачи, применяются последовательно, с учетом их различных свойств и способности корректировать ошибки различного характера. При этом код, применяемый на передающей стороне первым, должен декодироваться на приемной стороне в последнюю очередь. Такой код называется внешним. Соответственно код, применяемый на передающей стороне последним и декодируемый в приемном устройстве в первую очередь, называется внутренним. Возможная последовательность операций по отношению к передаваемому цифровому ТВ сигналу для коррекции ошибок передачи, показана на рис. 13.4. Применение нескольких канальных кодеков позволяет повысить помехозащищенность передачи и, что очень важно, — кор-
20
306
ЧАСТЬ 1П. Системы цветного телевидения
Избыточная
Рис. 13.3. Принцип канального кодирования
Рис. 13.4. Коррекция ошибок в цифровом ТВ сигнале
ректировать так называемые «пакетные» ошибки, которые представляют собой последовательность большого количества идущих друг за другом ошибочных посылок. Например, благодаря использованию буферной памяти между внешним и внутренним канальными кодеками и чередованию направлений записи в память и считывания из нее достигается «перемежение» символов и возможность коррекции сравнительно большой пакетной ошибки. Биты передаваемой информации, которые перед передачей были смежными во времени, в результате такого перемежения удаляются друг от друга в процессе передачи по каналу с помехами. На приемной стороне также имеется буферная память, осуществляющая «обратное» перемежение. Это происходит до поступления сигнала на декодер внешнего кода.
В качестве внешнего кода обычно используется код Рида- Соломона (Reed-Solomon-Code, RS), который требует двух проверочных символов на одну исправляемую ошибку [34]. В процессе кодирования кодом Рида-Соломона, используемым для передачи цифрового ТВ сигнала, на каждый пакет общего транспортного потока длиной 188 байт добавляется 16 проверочных байт. Получается новый пакет, содержащий необходимую избыточность и имеющий длину 204 байга. Это позволяет исправить 8 байт, искаженных помехой в процессе передачи. Такой код в литературе обозначают (204, 188, 8) [35].
Внутреннее кодирование также часто осуществляют с помощью сверточных кодов. Более подробную информацию о помехоустойчивом кодировании, использующем коды Рида-Соломона и сверточные коды, можно найти в [34, 36, 37].
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
307
13.1.3.	Цифровые способы модуляции
Свойства цифрового сигнала, рассмотренные в гл. 5. не позволяют передавать такой сигнал по каналу связи непосредственно, т.е. «в первичной полосе частот» из-за. слишком высокой скорости передачи, оцениваемой в сотни мегабит в секунду. Кроме того, существующие сети ТВ вещания (спутниковые, кабельные или наземные), как правило, построены по принципу частотного уплотнения. Поэтому сигнал, предназначенный для передачи по таким сетям, должен быть точно ориентирован в принятой системе организации частотных каналов [33]. Следует также иметь в виду, что передаваемый сигнал должен быть энергетически сосредоточен в определенной ограниченной области спектра. Как правило, несущей (модулируемой) частотой является гармонический сигнал. Изменяемыми параметрами в таком случае могут быть его амплитуда, частота и фаза. Если модулирующий сигнал имеет цифровую природу и изменяется дискретно, принимая фиксированные значения, то понятие «модуляция» иногда заменяется понятием «манипуляция».
Передаваемый сигнал, таким образом, в результате модуляции можно представить в следующей форме:
U(t) = (Амплитуда) cos[2tt( Частота) t -Ь (Фаза)].
Использование для передачи сигналов цифрового телевидения различных видов модуляции, как известных, так и относительно новых, позволяет одновременно увеличить количество передаваемой информации в единицу времени, сократить используемую полосу частот и повысить помехоустойчивость ТВ системы.
В цифровом телевидении может применяться амплитудная модуляция (AM), в иностранной, литературе применительно к цифровому сигналу называемая ASK (Amplitude Shift Keying); частотная модуляция (ЧМ), ее обозначают также FSK (Frequency Shift Keying), и фазовая модуляция (ФМ), англоязычное обозначение PSK (Phase Shift Keying).
На рис. 13.5 иллюстрируется принцип работы каждого из применяемых видов модуляции для двухпозиционного модулирующего сигнала, т.е. когда каждое состояние сигнала, передает один бит информации. На рисунке также даны графики, поясняющие изменение сигнала во времени.
Демодуляция рассмотренных сигналов достаточно проста в техническом отношении, и для ее осуществления известно много способов. Качество того или иного способа модуляции при передаче цифровых сигналов оценивается обычно по следующим критериям:
•	эффективности использования частотного спектра;
•	минимально необходимого отношения сигнал/помеха;
•	стойкости к ухудшению условий приема на отдельных частотах.
Эффективность использования частотного спектра увеличивается с увеличением числа состояний, которые может принимать сигнал
20'
308
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Вид модуляции	Временная диаграмма				Состояние
ASK	w				0
		0	ш 1 :	! * : о	1
FSK	ы	f 1	ши	i	0
		VV 0	' 1	Г 1	1
PSK	и>	к	iw	j	0
		ш 0	ш 1 1	1 t 1 1	1
Рис. 13.5. Виды модуляции при двухпозиционном модулирующем сигнале
при передаче одного символа. Если модулирующим сигналом является сигнал, в котором каждый символ передается не двумя, а большим количеством возможных его значений, то количество информации, передаваемое с каждым символом, возрастает. Такие значения обычно выбираются равными 4, 16, 32, 64, 128 и т.д., т.е. как ряд 2П, где п — число возможных состояний передаваемого или модулирующего сигнала во время передачи одного символа.
Эта эффективность оценивается величиной, измеряемой в битах в секунду на один герц (бит/с/Гц). Такая размерность показывает, что в данном случае оценивается скорость потока, приходящаяся на единицу частоты.
Чем выше количество информации, переносимое одним символом, тем выше число возможных состояний, которое может принять изменяемый в процессе модуляции параметр модулируемого сигнала (виды модуляции с большим числом таких состояний называют многопозиционными), и соответственно тем выше эффективность использования частотного спектра. Однако, чем большее число состояний может принимать модулирующий сигнал, тем меньше существует отличий в параметрах этих состояний, а значит, демодуляция такого сигнала в условиях помех может стать затруднительной. Поэтому эффективность использования частотного спектра обычно связана с возможно достижимым отношением сигнал/помеха, и при выборе этих параметров необходим компромисс.
Ухудшение условий приема на отдельных частотах — распространенное явление,1 особенно в спутниковом или наземном телевизионном вещании. Такие ухудшения (замирания) обычно возникают внезапно, их природа связана с распространением радиоволн. Они возникают обычно на определенных частотах, и в этом смысле широ-
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
309
Рис. 13.6. Принцип амплитудной модуляции: а — векторное и б— спектральное представление
кополосные виды модуляции имеют преимущество, так как при затруднении передачи сигнала на определенных частотах спектра потери информации оказываются меньше.
Следует отметить также, что в условиях мобильного приема па частоту принимаемого сигнала оказывает также влияние относительная скорость взаимного перемещения передатчика и приемника. Этот эффект, известный как эффект Доплера, накладывает определенные ограничения на допустимое значение этой скорости. Так, например, для европейской системы цифрового телевидения это значение составляет приблизительно 150 км/ч [38].
Рассмотрим подробнее применение отдельных видов модуляции для передачи информации в цифровом телевизионном вещании.
13.1.3.1.	Амплитудная модуляция
Как показано на рис. 13.6, спектр сигнала модулированного по амплитуде, состоит из спектральной составляющей UHec, соответствующей несущей частоте, и двух частей — Um; и Ubb, симметрично расположенных относительно несущей.
В своем «цифровом» варианте этот способ модуляции отличается от аналогового только тем, что модулирующий сигнал является дискретным. Значения, которые может принимать амплитуда Ап модулированного сигнала в процессе модуляции, определяются следующим образом [33]:
An = 2n-1-M, n = 1, 2, 3, ... М,	(13.1)
где М — число возможных состояний модулирующего сигнала.
Пример амплитудной модуляции для случая М = 8 (при передаче 8-позиционного цифрового сигнала) приведен на рис. 13.7,а и 5, где показана соответственно форма модулированного и модулирующего сигналов при последовательности дискретных значений модулирующего сигнала: 1, 3, —5, 1, 3.
310
ЧАСТЬ 111. Системы цветного телевидения
Рис. 13.7. Амплитудная модуляция при передаче 8-позиционного цифрового сигнала: а — модулированный сигнал; б— модулирующий сигнал
Уменьшение несущей относительно боковых частот приближает этот вид модуляции к так называемой балансной модуляции, при которой энергия сигнала сосредоточена не в самой несущей, а в боковых частотах. Переворот фазы модулированного сигнала объясняется тем обстоятельством, что изменяется соотношение между амплитудами несущей и боковых частот.
Однако в данном примере, показанном на рис. 13.7, фаза сигнала может изменяться только на 180°, так как в спектре модулированного сигнала присутствуют обе боковые частоты, симметрично расположенные относительно несущей. При амплитудной модуляции обе эти симметричные части спектра несут одинаковую информацию, так как повторяют форму спектра модулирующего сигнала. Такая информационная избыточность в современном аналоговом телевидении устраняется частичным подавлением одной боковой полосы частот. Этот способ передачи, называемый амплитудной модуляцией с одной боковой полосой (ОБП), в иностранной литературе обозначается аббревиатурой VSB-AM (Vestigial Sideband Modulation).
Кроме того, для сокращения полосы частот радиосигнала VSB-AM сокращают также полосу частот модулирующего сигнала. Делают это следующим образом. На рис. 13.7,0 показан модулирующий сигнал, который представляет собой последовательность прямоугольных импульсов с длительностью tc, равной времени передачи одного цифрового символа. Такой сигнал имеет широкую полосу частот. Если эту полосу ограничить фильтром, то импульсы модулирующего сигнала потеряют прямоугольную форму и при декодировании будут создавать взаимные помехи. Если при этом, однако, воспользоваться фильтром нижних частот со специально выбранной час гоiой среза (фильтр Найквиста), то прямоугольные импульсы на выходе (|)н.льт])а примут вид функции sinх/х (рис. 13.8,а). Каждый
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
311
Рис. 13.8. Модуляция вида VSB-AM: а — формирование модулирующего сигнала из отдельных импульсов вида (sina;)/a*; б— осциллограмма радиосигнала VSB-AM
импульс такой формы имеет амплитуду своего максимума, соответствующую значению передаваемого цифрового символа. На рисунке показана амплитуда импульсов, соответствующая приведенному ранее примеру последовательности символов. Длительность импульса превосходит время передачи символа, однако это не вызывает межсимвольных искажений, так как каждый отфильтрованный таким образохм импульс обладает положительным свойством — оказывается равным нулю в тот момент, когда должны быть зафиксированы следующие отсчеты (моменты времени 1-5 парне. 13.8). Таким образом, в промежутках между отсчетами и амплитуда, и фаза модулированного сигнала могут иметь произвольные значения: амплитуда — ввиду того, что модулирующий сигнал представляет собой сумму импульсов вида sinx'/x, а фаза — в силу того обстоятельства, что при подавлении одной боковой полосы исчезает равенство векторов Uhl и Ubb (см. рис. 13.6), вследствие чего характер изменения фазы сигнала становится более сложным.
Подавление одной боковой полосы частот сигнала после амплитудной модуляции приводит к сокращению спектра передаваемого сигнала, и, следовательно, к повышению эффективности передачи информации, хотя и несколько ухудшает помехоустойчивость передачи [33].
Такой способ модуляции использован в американской системе цифрового ТВ вещания ATSC.
13.1.3.2.	Фазовая модуляция
Простейший случай фазовой модуляции для цифрового сигнала - двухпозиционная фазовая манипуляция. Она называется также
312
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 13.9. Фазовая модуляция (PSK). Временные (а, 6) и векторные (в, г) диаграммы:
а — модулирующий сигнал; 6— модулированный сигнал; в— модуляция типа 2-PSK или BPSK; г— модуляция типа 4-PSK или QPSK 4-QAM; д — отмеченное точками положение конца вектора
2-PSK, или BPSK (Binary Phase Shift Keying). Изменения во времени сигналов модулирующего и промодулированного показаны соответственно на рис. 13.9,а и б, а векторная диаграмма — на рис. 13.9,в.
Увеличение возможных состояний для передаваемого сигнала реализуется в четырехпозиционной фазовой манипуляции, называемой 4-PSK или QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Векторная диаграмма для модуляции типа QPSK показана на рис. 13.9,г. Из диаграммы видно, что набор возможных состояний передаваемого сигнала включает четыре символа, при этом каждый символ передает два бита информации. Часто при изображении векторной диаграммы модулированного сигнала показывают лишь положение конца вектора, отмечая его точкой (рис. 13.9,5).
Можно еще увеличить количество передаваемой информации в одном символе выбором большего количества возможных состояний фазы передаваемого сигнала. Например, при способе модуляции 8-PSK каждый символ (каждое возможное состояние передаваемого сигнала) несет уже три бита информации. Однако передача сигнала в реальных условиях связана с помехами, поэтому амплитуда и фаза передаваемого сигнала на приемной стороне может быть определена лишь с ошибкой. Если эту ошибку для серии измерений нанести на векторную диаграмму (рис. 13.10), то станет ясно, что при определенной величине ошибки может произойти ошибочное декодирование сигнала на приемной стороне.
Способ модуляции PSK применяется в случаях, когда необходимо сохранить постоянной амплитуду передаваемого сигнала или исключить амплитуду из числа параметров, изменяемых в процес-
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
313
Рис. 13.10. Векторная диаграмма для модуляции типа PSK в условиях помех
Т ип модуляции	Передача в отсутствие помех		При наличии помех	
2-PSK				
				
4-PSK	• ’’			
	•			
8-PSK			%®	
			••	
16-PSK	у		* „	•			»
				«
се модуляции. Это бывает важно, например, при передаче сигнала со спутника.
13.1.3.3.	Квадратурная амплитудная модуляция
При квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) передаваемый сигнал модулирует и амплитуду, и фазу несущего колебания. Это происходит одновременно и независимо.
Можно сказать, что если немодулированная несущая имеет вид u(t) = Um cos cat,
то в результате квадратурной амплитудной модуляции такой несущей сигналами uj (Inphase) и uq (Quadrature) передаваемый сигнал будет выглядеть так:
u(t) = ui costot + uq sincjt
Такой вид модуляции можно пояснить с помощью векторной диаграммы, па которой в декартовой системе координат с вертикальной осью Q и горизонтальной осью I изображают положение конца вектора промодулированного сигнала. Векторная диаграмма сигнала для случая четырехпозиционной квадратурной амплитудной модуляции, или, как ее обозначают, 4-QAM, показана на рис. 13.11.
Набор точек, показывающих возможное положение конца вектора сигнала на плоскости IOQ, часто называют созвездием. Каждая точка характеризуется своим сочетанием амплитуды и фазы сигнала, поэтому соответствующий каждой точке символ переносит
314
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
4-С	)АМ	16-Q. '	.	32-Q W	Q,	AM	64-q '. . . Q‘	•AM
•	I	••	2	...	' • • i ’ •;;	\\\ \ 1
Рис. 13.11. Векторная диаграмма сигнала при различных видах квадратурной амплитудной модуляции
Рис. 13.12. Сравнение помехоустойчивости двух видов модуляции — QAM и PSK
информацию в количестве
j = iog2 л;
где I — число битов информации, передаваемое каждым символом; N— число возможных «позиций» вектора, пли точек на векторной диаграмме.
Нетрудно заметить, что при модуляции 4-QAM амплитуда, сигнала не меняется, и такой случай полностью эквивалентен четырехпозиционной фазовой манипуляции (4-PSK или QPSK).
Векторные диаграммы сигнала для способов модуляции 4-QAM, 16-QAM, 32-QAM и 64-QAM также показаны на рис. 13.11.
Разумеется, применение многопозиционной QAM способствует передаче большего количества информации, однако в реальных условиях, при наличии помех, на приемной стороне возможно ошибочное определение амплитуды и фазы передаваемого сигнала. Это обстоятельство и ограничивает количество информации, передаваемое одним символом. Тем не менее основное преимущество QAM перед другими видами модуляции — в ее хорошей помехозащищенности. Это видно из рис. 13.12, где для сравнения показаны векторные диаграммы для двух видов модуляции 16-PSK и 16-QAM. Как видно из рисунка, способ модуляции QAM способен обеспечить более высокую помехоустойчивость передачи информации.#
Многопозиционная квадратурная амплитудная модуляция успешно применяется, например, в кабельных каналах, где можно значительно увеличить число позиций модуляции, так как при передаче' ио кабелю обеспечивается достаточно высокое отношение сигнал /помеха.
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
315
Области положений конца вектора, отличающихся передаваемыми битами нисшего приоритета
Рис. 13.13. Векторная диаграмма сигнала 64-QAM при иерархической передаче:
а — обычная модуляция 16-QAM; 6— неоднородная модуляция 16-QAM, п — 2; в — декодирование модуляции только высшего приоритета; г— неоднородная модуляция 16-QAM, a — 4
Как правило, при использовании многопозициопной QAM расстояние между соседними точками, обозначающими положение конца вектора сигнала, выбирается одинаковым. Однако выбор расположения этих точек позволяет осуществить так называемую неоднородную квадратурную амплитудную модуляцию. С ее помощью реализуют «иерархичность» в передаче информации. На рис. 13.13 показана векторная диаграмма, для способа квадратурной амплитудной модуляции 16-QAM: на рис. 13.13,а - обычная модуляция 16-QAM, на рис. 13.13,6 и в — неоднородная 16-QAM. Как видно из рисунка, при неоднородной модуляции допустимые положения вектора сигнала расположены на диаграмме неравномерно. При наличии помех затруднительно декодировать сигнал, у которого возможные положения вектора отделяются небольшими расстояниями на фазовой плоскости (см. рис. 13.12). Было найдено остроумное решение — так изменять амплитуду и фазу несущей частоты в процессе модуляции, что возможные положения вектора сигнала оказываются расположенными на векторной диаграмме не равномерно, а на различных расстояниях друг от друга. При этом, очевидно, для одной части передаваемой информации при наличии помех условия декодирования улучшатся, а для другой части — осложнятся, но появляется важное преимущество — для сложных условий приема сигнала можно заранее определить, какая именно часть информации, имеющая высший приоритет, в первую очередь должна попасть в приемное устройство. Величина неравномерности оценивается коэффициентом а, показывающим отношение расстояния между группами точек-концов вектора на диаграмме к расстоянию между соседними точками.
На рис. 13.13,6 и в штриховой линией показаны области, внутри которых изменения положения вектора сигнала могут быть зафиксированы в приемном устройстве лишь при помехоустойчивом приеме. При ухудшении условий приема детектор может выделить лишь меньшую, заранее определенную часть информации, имеющую выс
316
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
ший приоритет. В примере, показанном на рис. 13.13, такой объем информации эквивалентен случаю 4-QAM и показан на рис. 13.13,2 [38]. Это позволяет строить приемники с различными возможностями, способные наиболее качественно принять ту долю передаваемой информации, которую они смогут воспроизвести при данных условиях приема.
13.1.3.4.	Способ модуляции OFDM
Способ модуляции с одновременным использованием нескольких несущих частот, имеющий название OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex — способ с мультиплексированием ортогональных частот), известен более 30 лет, однако в последние годы, с развитием цифрового ТВ вещания, преимущества этого способа модуляции оказались актуальны.
Основная идея, положенная в основу этого способа, заключается в следующем. Передаваемый цифровой поток модулирующего сигнала «распараллеливается» и передается по нескольким каналам — путем модуляции нескольких несущих. Число этих несущих выбирается так, чтобы необходимым образом сократить скорость передачи информации на каждой отдельной несущей. В результате достигается главное — на передачу одного символа на каждой отдельной несущей может быть отведено большее время. Настолько большее, чтобы сделать передачу каждого символа независимой от наличия отраженных сигналов, обусловленных так называемым «многолучевым» распространением радиоволн, что достаточно характерно для городских условий.
На рис. 13.14 показан пример преобразования («распараллеливания») одного последовательного цифрового сигнала в пять отдельных сигналов путем демультиплексирования, что позволяет увеличить длительность передачи символа в каждом из пяти сигналов в пять раз. Далее, каждый из полученных таким образом сигналов с уменьшенной скоростью передачи символов модулирует соответствующую несущую, число которых равно числу модулирующих сигналов. При этом допускается фазовая (PSK) или квадратурная амплитудная (QAM) модуляция каждой несущей. Сами несущие частоты при этом выбираются из следующих соображений:
•	число несущих должно быть таким, чтобы при неизменной скорости потока данных на входе модулятора OFDM увеличить до требуемой величины время передачи одного символа на каждой несущей;
•	несущие должны быть достаточно близки по частоте друг к другу, чтобы сократить занимаемую полосу частот канала связи;
•	частоты несущих должны быть выбраны так, чтобы они не создавали взаимных помех.
Последнее условие выполняется, если частоты удовлетворяют требованию ортогональности. Физический смысл этого требования
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
317
Рис. 13.14. Пример демультиплексирования цифрового сигнала
Рис. 13.15. Огибающая спектра одной несущей с номером к при модуляции OFDM
заключается в следующем: спектр каждой несущей после модуляции должен иметь «нули» на частотах, на которых расположены остальные несущие. Выполнение этого условия обеспечивает отсутствие взаимных помех и независимую передачу информации на каждой несущей.
На рис. 13.15 показан спектр одной несущей в результате модуляции ее сигналом прямоугольной формы.
Исходя из условия ортогональности, частоты несущих должны располагаться на оси частот с шагом, обратным величине Ts — времени передачи одного символа. При этом значения каждой частоты определяются выражением:
fk = fo + k±
J-s
где k = 0, 1, 2, ..., п — 1, Лг.
Таким образом, получается ряд частот, расположенных равно-
318
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Канал передачи hfYV'/ул 1	> \	• \	\	/ I t \
Рис. 13.16. Спектр передаваемого сигнала при модуляции OFDM
U
Переданный сигнал
С защитным
интервалом
U
Принятый сигнал
интервала
Рис. 13.17. Назначение защитного интервала при модуляции OFDM
мерно и с общим спектром, достаточно близко приближающимся к прямоугольной форме, что позволяет эффективно использовать частотный канал передачи (рис. 13.16).
Важным фактором при таком способе модуляции является так называемая «межсимвольная интерференция» (Intersymbol Interfe-rention, ISI), или, по существу, перекрестные искажения. Модуляция OFDM позволяет применить простой прием для борьбы с этим явлением: при увеличении количества несущих частот время на передачу одного символа также увеличивается. Этого увеличения оказывается достаточно для того, чтобы ввести между передаваемыми символами так называемый «защитный интервал» (Guard Interval, GI) (рис. 13.17). Введение защитного интервала позволяет уменьшить межсимвольные помехи и снизить влияние различных «эхосигна-лов», возникающих из-за многолучевого распространения радиоволн. Главное назначение защитного интервала, таким образом, состоит в повышении помехоустойчивости передачи полезной информации.
Таким образом, время, затрачиваемое на передачу одного символа OFDM, состоит из интервала передачи полезной информации и защитного интервала:
Tgs = Tg + Ts.
где  время, затрачиваемое на передачу одного символа; Тс -защитный интервал; Ts — время передачи полезной информации.
Примерная структурная схема модулятора OFDM показана на рис. 13.J<8. Для формирования каждой из используемых несущих ча-(••|от необходим свой задающий генератор. Так может осуществлять-
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
319
Рис. 13.18. Формирование сигнала OFDM
Радиосигнал
OFDM
Рис. 13.19. Формирование радиосигнала OFDM с помощью обратного быстрого преобразования Фурье
ся способ модуляции OFDM при небольшом количестве несущих, однако применительно к передаче цифрового ТВ сигнала количество несущих частот на выходе модулятора может составлять несколько тысяч, поэтому при построении модулятора было найдено оригинальное решение, позволившее избежать изготовления такой многоканальной системы передачи. Дело в том. что каждая несущая ответственна за соответствующую часть общего спектра сигнала на выходе модулятора. В радиотехнике известен прием сип геза сложного сигнала из отдельных гармонических составляющих. 'Гаким приемом является обратное преобразование Фурье. Существуют хорошо отработанные алгоритмы, позволяющие использовать какие преобразования в минимальное время и с минимальными вычислительными затратами.
На рис. 13.19 показан пример формирования сигнала OFDM с помощью обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ), которому подвергается входной цифровой поток. После ОБПФ обе части вычисленного преобразования, вещественная и мнимая, переводятся в аналоговую форму, проходя ЦАП и ФНЧ для удаления высокочастотных продуктов, затем поступают в преобразователь частоты, где умножаются соответственно на основной и квадратурный сигналы — гармоническое колебание частоты /0. Это позволяет после сумматоре! получить спектр сигнала OFDM, смещенный на частоту /о- Такая операция соответствует преобразованию частоты, необходимому при формировании радиосигнала для выбранного канала вещания [39].
Следует отметить, что данный способ модуляции имеет еще один
320
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения

Поднесущие OFDM Спектр помехи
Рис. 13.20. Воздействие помех при передаче сигнала OFDM
«резерв» повышения помехоустойчивости. В процессе формирования передаваемого сигнала, содержащего несколько несущих, может оказаться так, что следующие друг за другом последовательно во времени символы модулируют соседние по частоте несущие. Это обстоятельство неблагоприятно влияет на устойчивость такой системы передачи к помехам, поражающим сразу определенный диапазон частот (рис. 13.20). Один из вариантов способа модуляции OFDM, известный под названием COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex), предполагает «перемешивание» передаваемых символов во времени таким образом, что следующие друг за другом символы полезной информации на передающей стороне модулируют те несущие, номера которых предписываются специальной заранее определенной последовательностью. Эта последовательность точно выдерживается на передающей стороне и, в обратном порядке — в приемном устройстве. Такая мера позволяет сделать данный способ передачи информации практически нечувствительным к различного рода замираниям, а также помехам, исключающим на короткое время возможность использования какого-либо участка диапазона частот.
В целом, рассмотренный способ модуляции OFDM, безусловно, не лишен недостатков — он достаточно сложен технически, кроме того, при его использовании сложно решается вопрос синхронизации. Однако, как показали испытания, этот способ хорошо подходит для передачи сигнала цифрового телевизионного вещания в различной местности, эффективно использует полосу частот канала связи и в настоящее время успешно применяется для передачи цифрового сигнала в системе европейского цифрового ТВ вещания.
13.2.	Цифровое ТВ вещание
13.2.1.	Развитие цифрового ТВ вещания
Временем начала цифрового ТВ вещания в Европе и, практически сразу, в США, следует считать ноябрь 1998 г. В Европе цифровое ТВ вещание развивалось в соответствии с проектом DVB (Digital Video Broadcasting). Учитывая разнообразие форм ТВ вещания, часть проекта была посвящена разработке технических решений применительно- к спутниковому телевидению, она получила название DVB-S (...Satellite), часть — к кабельному (DVB-C —
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
321
...Cable), а часть — к наземному или эфирному вещанию (DVB-Т — ...Terrestrial). В последние годы в стандарте DVB-Т начали вещание Швеция, Испания, Дания и Австралия. Кроме того, подготовительные работы велись также в Сингапуре, Новой Зеландии и Индии. Стандарт ISBD (Integrated Services Digital Broadcasting), разработанный в Японии, является в некотором смысле модификацией европейского стандарта ТВ вещания. В ближайшее время еще 12 стран Европы, а также Сингапур, Новая Зеландия и Индия планируют начать трансляцию ТВ программ в стандарте DVB-T.
В России пробные ТВ передачи в стандарте DVB были начаты несколько позже. Опытное цифровое ТВ вещание было начато в Нижнем Новгороде в 2000 г., в С.-Петербурге в 2001 г.
В США работа над стандартом цифрового ТВ вещания началась в 1987 г., а в 1996 г. Федеральная комиссия США но связи (Federal Communications Commission, FCC) утвердила разработанный стандарт в качестве национального. Он получил название ATSC (Advanced Television Systems Committee). Уже в ноябре 1998 г. 26 станций в 10 регионах США приступили к цифровому ТВ вещанию. Одновременно в стране сохранялось и сохраняется сейчас вещание в аналоговом стандарте NTSC. Вместе с тем, согласно стратегическому плану развития ТВ вещания в стране, к 2006 г. все вещательные компании должны полностью перейти на цифровое ТВ вещалие, и в том случае, если у 95 % населения будут цифровые ТВ приемники, аналоговое вещание к этому времени должно прекратиться. К цифровому вещанию в стандарте ATSC присоединились также Канада, Северная Корея, Тайвань и Аргентина.
Таким образом, в настоящее время в мире работают различные системы цифрового телевидения [39-41]. При этом, как это когда-то было и с аналоговым телевидением, единый для всех стран стандарт на цифровое ТВ вещание пока отсутствует.
13.2.2.	Система ATSC
Система ATSC, разработанная и внедренная в США, как и другие системы цифрового ТВ вещания, предполагает кодирование аудиовизуальной информации и данных, предназначенных для передачи, по стандарту MPEG-2, однако транспортный поток, который формируется в кодирующем устройстве, не должен превышать значения 80 Мбит/с.
Поясним принцип построения системы цифрового ТВ вещания ATSC. Как уже было сказано, передаваемые сигналы кодируются но стандарту MPEG-2, в результате чего формируется транспортный поток (см. § 13.1), который и должен быть передан на приемную сторону. Чтобы по каналам эфирного вещания донести эту информацию до зрителей, система ATSC регламентирует специальный
21
322
ЧАСТЬ 111. Системы цветного телевидения
вид модуляции, позволяющий эффективно использовать стандартный ТВ канал, а также некоторые меры по обеспечению канального кодирования. Здесь уместно вспомнить о том, что речь идет о вещательной ТВ системе, где разные «получатели» информации находятся в разных условиях приема. Следовательно, необходимо принять меры для обеспечения дополнительной помехоустойчивости приема сигнала. Для этого используются рассмотренные ранее способы канального кодирования.
Разработчики системы ATSC предусмотрели применение для передачи ТВ сигнала многопозиционной амплитудной модуляции с подавленной нижней боковой полосой, что в какой-то степени соответствует принципам построения существующих аналоговых систем ТВ вещания. Такой вид модуляции называется VSB-AM (см. п. 13.1.3).
Система VSB разработана в нескольких вариантах, в зависимости от вида модулирующего сигнала: 2-VSB, 4-VSB, 8-VSB, 8T-VSB, 16-VSB. Количество уровней модулирующего сигнала меняется от двух до шестнадцати, при этом соответственно изменяется и скорость передачи данных, которая определяется как частота следования символов, умноженная на логарифм количества уровней.
При использовании восьмипозиционного модулирующего сигнала (способ модуляции 8-VSB), в интервале одного символа передаются три двоичных разряда потока данных. В полосе 6 МГц (ширина частотного ТВ канала в США) система 8-VSB способна передавать поток данных 32.3 Мбит/с.
Рассмотрим подробнее процесс преобразования стандартного транспортного потока в радиосигнал, передаваемый по ТВ каналу. Транспортный поток, сформированный в соответствии со стандартом MPEG-2, подвергается обработке, которая имеет целью, во-первых, осуществить дополнительное кодирование для последующей коррекции ошибок, и, во-вторых, привести структуру передаваемых данных в соответствие с концепцией построения системы ATSC. Последовательность действий, производимых с сигналом, показана на рис. 13.21.
Вспомним структуру транспортного потока: он состоит из пакетов размером по 188 байт каждый, в которых содержится передаваемая информация. После поступления информации в декодер из пакетов исключается 188-й байт синхронизации, так как синхронизация вновь формируемого потока данных впоследствии вводится отдельно. Затем производится так называемая рандомизация данных, т.е. их перемешивание по определенному псевдослучайному закону, который, однако, впоследствии точно воспроизводится в приемном устройстве. Это делается для того, чтобы исключить какую-либо периодичность в потоке данных, которая может возникнуть, например, из-за выраженных статистических свойств сигнала изображения. Такая периодичное гь может помешать сформировать равномерный спектр передаваемого сигнала, создавая в нем выраженные максимумы на ча-
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
323
Поток MPEG-2 Радиосигнал
Рис. 13.21. Формирование радиосигнала в системе ATSC
стотах, связанных с периодом. Затем к потоку добавляются 20 проверочных байтов кода Рида-Соломона. После добавления проверочных байтов (теперь их оказывается 187 + 20 = 207) производится пе-ремежение данных, т.е. мера, имеющая целью снизить последствия воздействия помех путем «перераспределения» во времени передаваемых символов, следующих непосредственно друг за другом. На приемной стороне, естественно, все перечисленные операции повторяются в обратном порядке, что позволяет избавиться от так называемых «пакетных» ошибок, когда ряд искаженных помехой символов следуют друг за другом. Затем выполняется гак называемое трсллисное или, как его иногда называют в русскоязычной литературе, решетчатое кодирование (Trellis coding), представляющее собой разновидность кодирования сверточным кодом. Такое кодирование необходимо также для последующей коррекции ошибок. Сигналы синхронизации замешиваются в цифровой поток путем мультиплексирования.
Добавление пилот-си гнала осуществляется для того, чтобы при любом уровне модулирующего сигнала модуляция не была бы чисто балансной, т.е. в спектре сигнала должны присутствовать не только боковые частоты, ио и в определенной степени несущая. Это необходимо для облегчения восстановления несущей в приемном устройстве для синхронного детектирования.
Модуляция и преобразование частоты формируют радиосигнал, передаваемый в приемники.
Структура данных, образующаяся в процессе формирования радиосигнала 8-VSB, показана на рис. 13.22. Она отличается от структуры исходного транспортного потока — данные разделяются на так называемые сегменты, состоящие из 832 символов. Частота следования символов составляет 10,76 МГц. В 207-байтовом пакете каждые два бита, благодаря избыточности решетчатого кодирования, преобразуются в три бита, которые как раз и определяют, какой
21
324
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 13.22. Структура данных в сигнале 8-VSB в системе ATSC
Синхросегмент поля 1
Данные пакетов ; и проверочные данные - > кода Рида-Соломона
Синхросегмент поля 2
Данные пакетов;МРЕС-2 и проверочные^данные кода' РидатСрдомона ’
Сегмент (77,3 мкс)
Рис. 13.23. Структура кадра при модуляции 8-VSB в системе ATSC
именно из восьми уровней и принимает амплитуда сигнала во время передачи одного символа.
В сигнал добавляется также сегментная синхронизация, длительность сигнала которой составляет четыре символа и представляет собой периодически повторяющуюся структуру с номерами уровней сигнала +5 и —5. Это позволяет легче определить границы сегмента и восстановить в приемнике частоту следования символов. Введение сигнала синхронизации не снижает эффективности передачи информации, так как он заменяет собой байт синхронизации транспортного потока с номером 188, который изымается в процессе обработки.
Группа из 312 сегментов, дополненная синхросегментом, образует поле данных, а два поля по 313 сегментов — кадр данных. Структура кадра данных показана на рис. 13.23.
В сигнал синхронизации полей добавляется дополнительная информация, например о виде применяемой модуляции, а также другая информация для обеспечения процесса декодирования.
В системе ATSC также приняты меры (режекторная фильтра-
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
325
Таблица 3.1
Параметры разверток
Размер кадра, число элементов	Соотношение сторон	Частота кадров
1920x1080	16:9	60 г, 30 р, 24 р
1280x720	16:9	60 р, 30 р, 24 р
704x480	16:9, 4:3	60 р, 60 г, 30 р, 24 р
640x480	4:3	60 р, 60 г, 30 р, 24 р
Примечание, р — прогрессивная развертка; г —		- чересстрочная.
ция) для уменьшения помех от неравномерного спектра работающих в том же канале передатчиков аналоговой системы NTSC. Такая мера, впрочем, носит временный характер.
Федеральная комиссия по связи США стандартизовала 18 возможных параметров воспроизводимого изображения в системе цифрового ТВ вещания (табл. 13.1).
При этом так называемые AFD-декодеры (All Format Decoder, AFD) способны декодировать изображение в любом из перечисленных в таблице формате. Однако существуют также декодеры, позволяющие декодировать и воспроизводить передаваемое изображение с меньшей четкостью и с меньшей частотой кадров. Кроме того, из 18 форматов допустимыми в настоящее время считаются следующие: 1280x720 и 704x480 элементов изображения при прогрессивной развертке. Из форматов с чересстрочной разверткой разрешен формат 704x480 элементов. Он сохранен, в основном, ради обеспечения совместимости с техникой и видеоматериалом, созданными применительно к стандарту NTSC.
Система ТВ вещания ATSC предполагает использование вида модуляции и структуры передаваемых данных (сегмент, поле), традиционных для современного аналогового телевидения. При этом цифровой поток, передаваемый по стандартному каналу вещательного телевидения, оказывается достаточным для передачи ТВ изображения высокой четкости. Вместе с тем система имеет недостаточную помехозащищенность передаваемого сигнала, особенно в сложных условиях распространения радиоволн, когда на условия приема сигнала оказывают значительное влияние отраженные сигналы. Этот недостаток удалось устранить разработчикам европейской системы ТВ вещания DVB.
13.2.3.	Система DVB
Из всех вариантов европейской системы ТВ вещания — для спутникового, кабельного и наземного (эфирного) ТВ вещания — наибольшие сложности в практической реализации сопутствовали системе наземного ТВ вещания DVB-Т, что и задержало ее внедрение в практику. Именно эту систему следует рассмотреть подробнее, так как благодаря своим оригинальным техническим решениям, позволившим обеспечить помехоустойчивый прием сигнала в различных
326
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 13.24. Алгоритм формирования радиосигнала в ТВ системе DVB-T
условиях, система DVB-Т в ряде испытаний показала свои преимущества по сравнению с другими системами цифрового ТВ вещания.
Структурная схема обработки сигнала показана на рис. 13.24. Одна из особенностей системы DVB-T — так называемая «иерархическая» передача и прием информации. Это техническое решение связано со специальным выбором способа модуляции и позволяет потребителю принять изображение в таком качестве, какое позволяют условия приема и качество приемника. Транспортный поток, соответствующий стандарту MPEG-2, «расщепляется» на выходе мультиплексора на два независимых потока, отличающихся приоритетом. Поток высшего приоритета кодируется и передается при условии обеспечения высокой помехозащищенности, а поток низкого приоритета — с более низкой помехозащищенностью, но с более высокой скоростью передачи данных. На рисунке его путь обозначен штриховой линией. Рандомизация, а также внешнее и внутреннее перемежение предназначены для защиты от ошибок передачи. Все эти меры позволяют довести частоту ошибок на входе демультиплексора MPEG-2 до значения порядка 10"11, что соответствует практически безошибочной работе.
Характерной особенностью системы DVB-Т является принятый способ модуляции OFDM, предполагающий использование большого числа несущих частот. Это позволяет эффективно бороться.с эхосиг-налами, так как время передачи каждого символа на одной несущей может быть увеличено (см. рис. 13.17).
Особенности способа модуляции OFDM были описаны в п. 13.1.1. Для формирования сигналов большого количества несущих частот используют хорошо отработанные алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ).
В большинстве таких алгоритмов размер массива, подвергающеюся преобразованию, кратен целой степени числа 2. Поэтому используется размер массива, равный 8192 = 8k или 2048 = 2k (здесь
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
327
к — 210 — 1024). На практике число несущих оказывается меньше, часть несущих не используется, поскольку между частотными областями, занимаемыми соседними каналами, должен быть оставлен некоторый зазор. В двух существующих в настоящее время режимах используется 6817 и 1705 несущих, однако по размеру массива БПФ системы модуляции называются соответственно 8k OFDM и 2k OFDM.
Сигнал, получаемый в системе ТВ вещания при таком способе модуляции, состоит из большого числа модулированных несущих. Количество информации, переносимое одной несущей за время передачи одного символа OFDM, зависит от способа модуляции — это 2 бита для квадратурной фазовой манипуляции, 4 бита для квадратурной амплитудной модуляции 16-QAM и 6 битов для модуляции вида 64-QAM.
Передаваемый сигнал состоит из кадров, каждый из которых содержит 68 символов OFDM. Четыре кадра образуют супсркадр, содержащий целое число пакетов длиной 204 байта (рандомизированных транспортных пакетов MPEG-2, снабженных для защиты от ошибок проверочными байтами кода Рида-Соломона).
13.2.4.	Система ISDB
Система цифрового ТВ вещания с интеграцией служб ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting) была предложена японской компанией NHK [42]. Это третья среди известных систем цифрового ТВ вещания после американской ATSC и европейской DVB. Следует отметить, что и очередность появления системы, и ее название (Integrated Services — интеграция служб), довольно точно отражают представление разработчиков о роли телевидения в жизни современного общества. Концепция системы предполагает широкий набор средств интеграции ТВ приемника с потребностями его владельца. Зритель сможет, например, знакомиться с заголовками новостей, постоянно имея возможность детализировать ту или иную информацию, пользуясь экранным «меню». К службам поддержки зрителя относится также электронная программа передач. Роль такой службы, безусловно, будет увеличиваться в условиях растущего числа ТВ каналов.
Большое внимание разработчики уделили средствам обеспечения интерактивности. Телевизионный приемник может быть интегрирован в систему дистанционного обучения, в систему связи с широкими возможностями интерактивного обмена информацией между зрителем и источником программ.
Домашний приемник представляет собой многоцелевой терминал, способный предоставить владельцу широкий выбор возможностей его использования. Предполагается, что зритель сможет получать доступ к информации, поступившей из различных источников (Интернет, электронная почта, радиовещание), причем даже без знания используемого канала передачи.
328
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Технически передача сигнала в системе ISDB-T осуществляется с помощью большого числа несущих с использованием модуляции OFDM, как и в системе DVB. Однако организация передачи данных, ориентированная на возможность доставки информации из разных источников, имеет ряд особенностей.
Ортогональные несущие, используемые для передачи информации, объединены в группы, которые называются сегментами (Band Segmented Transmission Segments, BST). Канал, таким образом, состоит из некоторого числа сегментов, и поэтому способ передачи данных, используемый в системе ISDB-T, получил название BST-OFDM.
Иерархическая передача и прием сигнала в системе ISDB-T достигаются выбором способа модуляции несущих, изменения внутреннего кода и интервала перемежения. К достоинствам системы следует отнести ее направленность на использование сервисных функций современной телевизионной техники.
13.3.	Телевизионные системы улучшенного качества
13.3.1.	Телевидение высокой четкости (ТВЧ)
Качество ТВ изображения, соответствующее рассмотренному и действующему в настоящее время стандарту, не является оптимальным. Это заметно, например, в сравнении с изображением в кинематографе. Для стандартного ТВ изображения характерны менее высокая четкость, дрожание строк, мерцание изображения, которое в определенных случаях заметно при частоте работы кадровой развертки 50 Гц. Имеются и другие недостатки, связанные, например, с цветовоспроизведением. Таким образом, изображение в кинематографе, свободное от этих и других недостатков, дает зрителю более реальное ощущение присутствия на месте событий, особенно при использовании широкого формата кадра.
Известно, что поле зрения человека имеет угловые размеры, ограниченные значением около 150° по вертикали и 200° в горизонтальном направлении. Как было показано, при рассматривании ТВ изображения с расстояния, примерно равного пятикратной высоте экрана, горизонтальный и вертикальный угловые размеры изображения соответственно равны 11 и 15°. Полученные соотношения показывают — если стремиться повысить реальность наблюдаемого изображения, рассматривая его с расстояния, в 2,5 раза превышающего высоту экрана, и под углом, составляющим, по крайней мере, 25° по вертикали, то число строк разложения изображения должно составлять не менее 1000.
Разработанный в Германии стандарт для стран Европы предполагал удвоение числа строк по сравнению с существующим 625-строчпым разложением. Стремясь также сохранить и чересстрочное
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
329
разложение, разработчики предложили выбрать 1249 строк. Формат кадра из соображений повышения реальности восприятия был принят равным 5:3.
В странах, где существует 525-строчный стандарт разложения (например, США, Япония), решили выбрать другое число строк. Как промежуточное значение между числами 1050 и 1250, было принято число строк 1125. Одновременно этим стандартом принято число полей в секунду, равное 60, что также способствовало снижению мерцаний [43]. Кроме того, по инициативе американских телекомпаний был еще больше расширен формат кадра — до значения 5,33:3, или 16:9. Таким образом, определились параметры нового стандарта на телевидение высокой четкости HDTV (High Definition Television), представленного японской телекомпанией NHK (Nippon Hoso Kyokai): 1125 строк, чересстрочное разложение, формат кадра 16:9, частота полей 60 Гц, частота строк 33750 Гц.
Осенью 1987 г. шесть европейских стран выступили с самостоятельной инициативой утвердить следующие студийные нормы на телевидение высокой четкости [44]: 1152 активные строки, частота смены кадров 50 Гц, прогрессивная развертка, формат кадра 16:9.
Несмотря на то, что использование прогрессивной развертки способствует увеличению полосы частот ТВ сигнала, такой способ развертки сокращает возможные потери качества изображения в процессе преобразования стандартов. Для передачи сигнала ТВЧ, однако, используется чересстрочный способ разложения [43].
В настоящее время, с появлением систем цифрового ТВ вещания, нормы на ТВ изображение высокой четкости определяются стандартом MPEG-2. При этом, однако, технические трудности реализации систем передачи, съемки и воспроизведения ТВ изображений высокой четкости сдерживают внедрение и, следовательно, развитие таких систем. Для выхода из этой ситуации, в течение последних десятилетий в развитых странах стали появляться так называемые ТВ системы улучшенного качества. Цель их разработки — не подвергая ТВ систему существенным изменениям, а в некоторых случаях и сохраняя ее совместимость, добиться доступными техническими средствами определенного улучшения качества изображения. Кроме того, из-за ряда причин, необходимо заранее «познакомить» телезрителя, а также потенциальных разработчиков, с изображением нового формата и нового качества.
13.3.2.	Телевизионные системы с широкоформатным изображением
Существует ряд ТВ систем улучшенного качества, позволяющих воспроизводить изображение с широким форматом кадра, т.е. с соотношением сторон 16:9. Среди таких-систем следует назвать прежде
330
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 13.25. Принцип кодирования сигнала в ТВ системе PAL-plus
всего систему PAL-plus. К ее достоинствам следует отнести совместимость со стандартным телевидением, предусматривающим формат кадра 4:3. Кроме того, достаточно широкое применение системы PAL-plus в наземном ТВ вещании в странах Европы создавало дополнительный стимул разработчикам широкоформатных кинескопов и других воспроизводящих устройств.
Развитие систем широкоформатного телевидения позволило населению приобрести определенный парк широкоформатных ТВ приемников. Это связывалось с перспективами появления ТВ систем высокой четкости и с широкоформатным изображением.
Концепция системы PAL-plus заключается в следующем. На передающей стороне ТВ системы сигнал, соответствующий широкоформатному ТВ изображению, кодируется таким образом, что его можно принять и на обычный телевизор с соотношением сторон экрана 4:3, и на специализированный приемник, предназначенный для воспроизведения изображений с форматом 16:9.
Схема построения кодирующего устройства системы PAL-plus показана на рис. 13.25, принцип получения изображения — на рис. 13.26.
На передающей стороне ТВ системы с помощью широкоформатной техники формируется исходное изображение с форматом 16:9. Непосредственно оно не может быть передано в эфир, так как при этом владельцы телевизоров с форматом 4:3 увидят это изображение с координатными искажениями. Существует способ, позволяющий «вписать» кадр с форматом 16:9 в экран с форматом 4:3. Способ этот известен под названием «Letterbox» и заключается в том, что при воспроизведении кадра с форматом 16:9 на экране с форматом •1:3 свободными (не занятыми изображением) остаются сравнительно узкие полоски снизу и сверху экрана. Это явление знакомо телезрителям и встречается всегда при демонстрации широкоэкранных фильмов. При. этом черные полоски сверху и снизу на экране достаточно привычны и не отвлекают внимание/ Однако кадр формата 16:9 воспроизводится при этом не в полной четкости по вертикали, так как его вертикальный размер занимает не всю высоту экрана, но
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
331
Рис. 13.26. Принцип получения изображения в системе PAL-plus
при этом весь широкоформатный кадр умещается па экране и там еще остается место, например, для титров.
Для осуществления этого способа на передающей с тороне передаваемое широкоформатное изображение записывается строка за строкой в специальное устройство памяти и считывается оттуда в другой последовательности строк. На рис. 13.25 это показано в виде коммутатора, который работает с периодом в четыре строки и за свой цикл работы три строки записывает в нижнее по схеме запоминающее устройство, а одну — в верхнее. В результате из 576 строк, образующих в системе PAL активную часть кадра, исключается каждая четвертая, в результате чего остаются 432 строки. Эти строки передаются в эфир в середине поля и на экранах приемников занимают соответственно центральную часть. Остальные 144 строки, записанные в верхнее по схеме запоминающее устройство, разбиваются на две группы по 72 строки, и из них формируется вспомогательный сигнал (Helper), который передается в эфир в начале и в конце поля. На экране обычного телевизора он занимает соответственно верхнюю и нижнюю полосы, между которыми и находятся 432 строки с передаваемым изображением.
Таким образом, пространственные соотношения сохраняются, и на экране обычного телевизора с форматом 4:3 можно видеть кадр широкоформатного ТВ изображения без геометрических искажений. Остается принять меры к тому, чтобы передаваемый вспомогательный сигнал, который занимает по 72 строки сверху и снизу, на экране обычного телевизора создавал бы изображение черного поля, не отвлекая зрителя, и при этом передавал бы информацию об «изъятых» 144 строках для восстановления их в специальном ТВ приемнике.
332
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
_Ур£_вень черного
Вспышка цветовой синхронизации
Рис. 13.27. Осциллограмма двух соседних строк ТВ кадра на нижней границе изображения в системе PAL-plus
Эта задача решается в системе PAL-plus при формировании вспомогательного сигнала следующим образом. В «изъятых» 144 строках сигнала сохраняется только яркостная информация. Она передается в активной части каждой из 144 строк методом амплитудной модуляции цветовой поднесущей. На рис. 13.27 показана осциллограмма двух строк ТВ кадра, соответствующих номерам 504 и 505, что соответствует началу темной полосы в нижней части кадра. Таким образом, 144 строки, видимые в верхней и нижней частях экрана обычного телевизора, выглядят примерно так, как показано на рис. 13.27 справа. Они содержат сигнал яркости, имеющий в активной части строки уровень черного, и сигнал цветовой поднесущей, промоделированный по амплитуде сигналом яркости, полученным от строк, «изъятых» в процессе кодирования и направленных коммутатором в запоминающее устройство для вспомогательного изображения.
В специализированном ТВ приемнике, предназначенном для воспроизведения изображения в формате 16:9, также содержится устройство памяти, запоминающее принятые строки и «переставляющее» их во времени таким образом, что 144 строки, передаваемые в составе вспомогательного сигнала, оказываются на своих местах и восстанавливают исходную вертикальную четкость изображения. При этом, правда, оказывается, что информация о цвете в этих строках безвозвратно утрачена и при воспроизведении изображения она берется из соседних строк, которые передавались в цвете. Это обстоятельство, однако, не приводит к значительной потере качества воспринимаемого цветного изображения из-за известных особенностей цветового зрения. Например, такой же прием используется в каждой строке на приеме цветного изображения в системе SECAM.
13.3.3.	Телевизионные системы с уплотнением во времени
Рассмотренные выше системы передачи цветного ТВ изображения NTSC, PAL, SECAM имеют общий признак — они изначально должны были удовлетворять требованиям совместимости с системой черно-белого телевидения. Вместе с тем, попытки избавить их от некоторых характерных недостатков привели к использованию принципа последовательной во времени передачи сигналов цветного ТВ
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
333
изображения. Проводимые в этом направлении исследования имели целью улучшить цветопередачу, в особенности, в условиях плохого приема, улучшить качество передачи многоканального звукового сопровождения, снизить уровень перекрестных искажений между сигналами яркости и цветности.
В 1980 г. способ передачи ТВ сигнала под названием MAC (Multiplexed Analogue Components) был представлен в Великобритании фирмой IB A (Independent Broadcasting Authority). Идея тогда заключалась в разработке единой для всей Европы системы спутникового ТВ вещания [43]. Стандарт МАС позволяет получить улучшенное изображение на экране телевизора по сравнению с системами PAL, SECAM, NTSC, но требует несколько большей полосы частот — она определяется спектром сжатой яркостной компоненты и достигает значения 8,4 МГц. А с учетом высокочастотных предыскажений, вводимых на передающей стороне, полоса пропускания радиоканала для приема сигнала D 2-М АС без потери четкости должна составлять не менее 10 МГц.
В зависимости от выбранного способа передачи звука и данных различают стандарты В-МАС, С-МАС, D-MAC, D2-MAC, Е-МАС для телевидения повышенного качества и HD-МАС и HDB-MAC для телевидения высокой четкости (ТВЧ). Остановимся подробнее на стандарте D2-MAC, получившем в свое время широкое распространение.
Система D2-MAC заняла достойное промежуточное место на пути к внедрению цифрового ТВ вещания. По сравнению с традиционными аналоговыми системами PAL, SECAM и NTSC для системы D 2-М АС характерны следующие признаки:
•	отсутствуют перекрестные искажения сигналов яркости и цветности;
•	значительно снижены шумы от ЧМ канала в сигнале цветности благодаря его переводу в область низких частот;
•	сигналы звукового сопровождения, синхронизации, телетекста и другой служебной и дополнительной информации передаются в цифровой форме;
•	повышена четкость изображения за счет более широкой полосы частот сигналов яркости и цветности.
Осциллограмму строки ТВ сигнала в системе D2-MAC (рис. 13.28) можно разделить на две части: аналоговую и цифровую. Аналоговые сигналы яркости и цветности передаются в течение активной части строки в сжатом во времени виде, а цифровая часть сигнала ( звук, синхронизация, телетекст и др.) объединена в пакеты, передаваемые в течение обратного хода по строке и по кадру. Рассмотрим структуру сигналов, передаваемых на одной ТВ строке в системе D2-MAC, показанную на рис. 13.28. Начальную часть строки, составляющую около 17,2 мкс, занимает один из цветоразностных сигналов, которые передаются поочередно через строку. Далее следует яркостная составляющая видеосигнала, которая
334
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Цифровые сигналы
Аналоговые сигналы (ЧМ)
Сигнал синхронизации звука и данных 1
Площадка фиксации уровня (15 тактов)
0,5
206 тактов
Чередующиеся сигналы цветности
Сигнал яркости
Уровень белого
Уровень t черного
1296 тактов (тактовая частота 20,25 МГц)

Рис. 13.28. Осциллограмма строки ТВ сигнала в системе D2-MAC
занимает около 34,4 мкс. Эти аналоговые сигналы имеют одну особенность по сравнению с обычными — они передаются в сжатом во времени виде: цветоразностные сигналы сжимаются в 3 раза, а сигнал яркости — в 1,5 раза.
Сжатие аналогового сигнала осуществляется стробированием с некоторой тактовой частотой (6,75 МГц для цветоразностных компонент и 13,5 МГц для яркостной составляющей). Полученные сигналы накапливаются в запоминающем устройстве, после чего происходит их ускоренное считывание с более высокой тактовой частотой (20,25 МГц). Цифровые данные передаются в так называемом дуоби-нарном (трехуровневом) коде. В отличие от бинарного (двухуровневого), в нем логической единице соответствует импульс положительной или отрицательной полярности. Логическому нулю соответствует импульс нулевой амплитуды. Применение такого кодирования в два раза снижает требуемую ширину полосы пропускания для данной скорости передачи данных, которая составляет 10,125 Мбит/с. Обратный ход, в течение которого передаются цифровые данные, занимает интервал порядка 10 мкс. Тактовая частота также составляет 20,25 МГц. Между цифровыми данными и цветоразностным сигналом передается аналоговая площадка для фиксации уровня длительностью около 0,7 мкс и со значением сигнала, равным 0,5 максимального размаха яркостного и цветоразностного сигналов.
Следует отметить, что в стандарте D 2-М АС поддерживаются два формата экрана: 4:3 и 16:9. Также предусмотрено три вида ’звукового сопровождения:
1)	высококачественный стереофонический звук: 40...15000 Гц (два канала, частота дискретизации 32 кГц);
2)	высококачественный монофонический звук: 40...15000 Гц (четыре канала, частота дискретизации 32 кГц);
3)	монофонический звук среднего качества: 40...7000 Гц (восемь каналов, частота дискретизации 16 кГц).
Поэтому телезритель при приеме в системе D2-MAC может выбрать один из нескольких вариантов звукового сопровождения: стерео или моно, на том или ином языке.
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
335
Рис. 13.29. Схема кодирования сигнала в системе HD-MAC
В начале 90-х годов была предложена другая система ТВ вещания из семейства МАС — система HD-МАС, ориентированная на стандарт телевидения высокой четкости, со следующими основными характеристиками: 1125 строк разложения, частота полей 50 Гц при чересстрочной развертке. Формат кадра 16:9.
Особенность системы заключается в том, что опа использует свойство зрения хуже замечать мелкие детали в быстро движущихся изображениях. На этом и основано сокращение количества информации, передаваемой на приемную сторону.
Чтобы сигнал мог быть передан по обычным спутниковым ТВ каналам, как это возможно для других систем, 1250-строчпое изображение должно быть преобразовано в 625-строчное. Кодер выполняет это преобразование, но делает его адаптивным к движению. При этом ТВ кадр разделяется на отдельные фрагменты, которые после выполненной «оценки» движения передаются в приемное устройство с различной дискретностью во времени. Это позволяет уменьшить передаваемую информацию и ограничить полосу частот сигнала изображения.
Структурная схема кодера в системе HD-МАС показана на рис. 13.29. Кодирование изображения осуществляется по трем «каналам»: Малоподвижные части изображения кодируются так, что передаются с частотой полей 12,5 Гц (длительность поля 80 мс), однако с полной вертикальной четкостью 1250 строк. В областях с более быстрым движением объектов в кадре частота полей выбирается 25 Гц (40 мс) и в областях кадра, где движение оказывается интенсивным, частота полей равна 50 Гц (20 мс) и вертикальная четкость — 625 строк.
Детектор движения, имеющийся в кодирующем устройстве, анализирует изображение, разделяет его па фрагменты и выбирает необходимый режим кодирования. Эта дополнительная информация передается в приемное устройство во время кадрового гасящего импульса в виде специального вспомогательного сигнала DATV (Digital Assisted Television) со скоростью 20,25 Мбит/с с помощью дуобинар-ного кода. Приемник декодирует принятые сигналы и после обратной обработки восстанавливает исходный сигнал, соответствующий вертикальной четкости 1250 строк.
Информация об изображении передается как последовательность отсчетов изображения, следующих с частотой дискретизации
336
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
20,25 МГц. Минимально необходимая полоса частот составляет, таким образом, 10,125 МГц. При передаче такого сигнала по спутниковому каналу полосой в 27 МГц требуется определенная нелинейная предкоррекция, позволяющая поднять уровень высокочастотных составляющих при передаче.
Упрощенный декодер системы HD-МАС не выделяет сигнал DATV из гасящего импульса, поэтому расшифровывает передаваемый сигнал исходя из существующего стандартного 625-строчного растра, т.е. в данном случае может воспроизводиться 625-строчный «аналог» передаваемого многострочного изображения. Передача звука и дополнительной цифровой информации в системе HD-МАС не отличается от остальных систем семейства МАС.
13.4. Перспективы развития систем цифрового телевизионного вещания
13.4.1. Возможности интерактивной сети ТВ вещания
В соответствии с принятой в России концепцией развития вещательного телевидения ближайшее будущее вещательного телевидения — это цифровая многопрограммная система ТВ вещания [45]. Такая система будет интерактивной, потому что большинство услуг, предоставляемых системой ТВ вещания населению, могут быть реализованы только в интерактивной системе.
Интерактивной ТВ системой называют систему, возможности которой позволяют организовать диалоговый обмен информацией между телезрителем и центром подготовки ТВ программ [45]. Международный союз электросвязи определяет интерактивные службы как службы, позволяющие пользователю реагировать в реальном или квазиреальном масштабе времени на характер и содержание предоставляемых услуг передачей соответствующих сообщений в пункты расположения поставщиков услуг [45]. Соответственно, структура интерактивных систем предусматривает не только наличие прямого канала для передачи ТВ программ и дополнительной информации, что характерно для традиционного понятия вещательной ТВ системы, но также наличие обратного канала передачи сообщений или другой информации в обратном направлении, т.е. от телезрителей к источникам ТВ программ [45].
Появление интерактивных ТВ систем значительно расширяет возможности ТВ вещания, открывается возможность использования системы вещательного телевидения в ряде новых качеств, в роли информационно-справочной системы, а также для получения ряда других ус луг. Перечень этих услуг варьируется в зависимости от технических особенностей той или иной системы и потребностей пользователей сети. Эти услуги принято объединять в пять основных
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
337
групп, по важности, по значимости для пользователя и по сложности реализации [45]:
А.	Услуги, связанные с программами вещания или дополняющие программы. Сюда входят, например: электронный путеводитель по программам, различные описания передаваемых программ, телемагазин, услуга «видео почти по заказу», и т.д.
Б. Вспомогательные данные и сигналы. К этой группе относятся задачи опознавания достоверности объявлений, подтверждение различных сообщений, передача сигнала записи на домашний видеомагнитофон, навигационная информация и т.д.
В.	Услуги с применением прямого интерактивного канала. К этим услугам относится передача газет, образовательных программ, викторины, игры, в том числе и в реальном времени, телетекст.
Г. Услуги приемника при его загрузке информацией по прямому каналу. К таким услугам относятся также игры, но при помощи телевизора с соответствующим программным обеспечением, передача информации с компакт-дисков, передача каталогов библиотеки аудио-и видеозаписей, хранящихся у поставщика услуг (провайдера), передача информации, адресованной, например, для принтера.
Д. Услуги для отдельных индивидуумов или групп пользователей. Примером таких услуг является дистанционное образование, аудио- и видеоконференции, услуга «видео по заказу», банковские операции, передача данных и т.д.
Следует заметить, что границы между перечисленными группами, как и сам перечень услуг, не являются жесткими.
В настоящее время в ряде западных стран накоплен опыт многолетней коммерческой эксплуатации интерактивных ТВ систем. Этот опыт позволил выделить ряд наиболее востребованных услуг, а также наметить прогноз их развития с учетом роста возможностей сети ТВ вещания и, как следствие, увеличить степень «интерактивности» за счет совершенствования характеристик обратного канала. За каждой услугой закрепились определенные названия или обозначения. Ниже приведен ряд важнейших из них [46,47] с указанием основных признаков.
Pay-per-Channel (РрС) — плата за канал:
•	содержание программ и их последовательность определяются распространителем;
•	потребитель платит за возможность получения всего предлагаемого выбора программ, т.е. за весь канал целиком;
•	отсутствие канала обратной связи «получатель — распространитель программ».
Pay-per-View (PpV) — плата за просмотр:
•	потребитель оплачивает только отдельную просмотренную передачу, например, по тарифу, зависящему от времени просмотра;
•	содержание программ и их последовательность во время вещания определяются распространителем программ;
338
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
•	требуется узкополосный канал обратной связи, например, телефонный, между получателем и распространителем программ для ежемесячного сбора данных.
Near-Video-on-Demand (NVoD) — «видео почти по заказу»:
•	общий перечень предлагаемых программ определяется распространителем;
•	список программ передается со сдвигом во времени в виде нескольких «копий» таким образом, что в течение нескольких минут, например каждые 15 мин. зритель может дождаться начала списка;
•	зритель просматривает список и делает выбор по своим интересам и материальным возможностям;
•	используется специальная приставка к телевизионному приемнику.
Interactive Video-On-Demand (IVoD) — интерактивное «видео по заказу»:
•	общий перечень предлагаемых программ определяется распространителем;
•	потребитель сам решает, в какое время и какой список ему лучше всего заказать, сам составляет себе программу;
•	потребитель может сделать запись предлагаемого списка. Videogames — видеоигры:
•	предлагаемые игры и их очередность определяются распространителем программ;
•	потребитель платит фактически за использование программного продукта («Downloading»).
Services-on-Demand (SoD) — сервис по заказу:
•	содержание и объем предложений определяются распространителем;
•	потребитель может за определенную сумму заказать товары и услуги, а также информацию, например: заказ товаров, книг, банковские услуги, учебное телевидение.
При всех вариантах применения интерактивных средств мультимедиа центральную роль играет дополнительный элемент, приставка к телевизору — Set-Top-Box. Он имеет следующие основные функции:
1)	переключает обычные телевизионные программы;
2)	осуществляет MPEG-декодирование и цифро-аналоговое преобразование программ мультимедиа;
3)	осуществляет связь с источником ТВ программ, к которому подключен потребитель;
4)	включает устройство для расчета оплаты услуг.
Стоимость приставки (Set-Top-Box) в настоящее время снижается и для некоторых моделей лежит в пределах 300 долл. США. Set-Top-Box берет на себя функции, свойственные персональному ком-
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
339
Рис. 13.30. Эволюция интерактивных служб
пьютеру, связывая при этом телевизионный приемник, телефон и источник программ.
Перечисленные услуги (рис. 13.30) различаются между собой, в основном, степенью интерактивности. При этом происходит постепенное формирование служб и услуг с наиболее высоким уровнем интерактивности.
Таким образом, службы и услуги, предоставляемые интерактивной сетью ТВ вещания, могут различаться:
1)	уровнем интерактивности;
2)	использованиелМ различных информационных сетей;
3)	степенью использования цифровой техники.
В настоящее время в США и странах Европы, а также в России, действует ряд систем интерактивного телевидения. Такие системы, успешно прошедшие испытания, например, в Орландо (США), а также в ряде городов Германии, достаточно убедительно доказали свою способность предоставить населению целый ряд новых услуг, увеличить экономическую эффективность и усилить способность наращивать возможности, гибко реагируя на требования формирующегося рынка такого рода услуг.
13.4.2.	Передача дополнительной информации в вещательных телевизионных системах
Система распределения дополнительной информации «Телетекст» является по своей сути системой интерактивной, так как выбор содержания страниц и журналов «Телетекста», а также способ взаимодействия зрителя с сетью ТВ вещания в процессе заказа и получения дополнительной информации, является двусторонним процессом, эффективно проходящим только при интерактивном взаимодействии.
Вещательное распространение дополнительной информации по аналоговому ТВ каналу началось в Великобитании в 70-е годы. Лишь
340
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
несколькими годами позже развитие потребностей общества в информационно-справочной системе привело к появлению системы «Телетекст» [48]. Общим признаком различных модификаций этой системы является передача дополнительной информации в интервале кадрового гасящего импульса, причем только в те промежутки времени, когда это не мешает другим передаваемым сигналам [49, 50]. Передача информации в интервале кадрового гасящего импульса возможна не во всех системах ТВ вещания в равной степени. Это связано с использованием интервала гашения, например, для цветовой синхронизации в системе SECAM. Кроме того, система передачи дополнительной информации должна учитывать стандарт развертки и другие необходимые характеристики ПЦТВС для обеспечения безошибочной передачи и декодирования информационных пакетов.
Первые системы «Телетекст», называвшиеся SEEFAX и ORACLE, были английскими. В настоящее время функционирование системы регламентируется рекомендацией [51]. В качестве стандартных утверждены четыре системы — А, В, С и D.
Система А, известная под названием «Didon-Antiope», разработана и используется во Франции. Система В разработана в Великобритании и используется там и в других странах. Она известна под названием WST (World System Teletext — международная система телетекста). Система С — североамериканская, она получила название NABTS (North American Broadcasting Television System — североамериканская вещательная система телетекста). Она была разработана в Канаде и используется в Канаде и в США. Наконец, система D разработана и используется в Японии.
Наиболее широкое распространение в настоящее время получила система WST. В частности, в России активно используется система «Телетекст» (WST), причем для передачи как информации о текущих ТВ программах, так и разных других сведений, важных для повседневной жизни общества [21].
Характер и количество дополнительной информации, передаваемой в вещательных ТВ системах, определяется, прежде всего, потребностями пользователей и статистикой спроса. Поэтому достаточно востребованной услугой в таких системах является функция доступа к ресурсам сети Интернет. Популярность такой услуги связана с тем, что сеть Интернет является универсальным источником разнообразной информации, и эта информация представлена в формате, предполагающем передачу именно по таким низкоскоростным каналам, каким является канал передачи дополнительной информации в вещательной ТВ системе.
Пользование услугой доступа в Интернет по каналу вещательного телевидения в данном случае предполагает, что пользователь сначала выбирает интересующий его сайт из определенной «карусели» наиболее популярных сайтов, перечень которых ему с определенной периодичностью передается по каналу дополнительной информации.
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
341
Затем, выбрав определенный сайт, в качестве следующего шага пользователь указывает интересующую его ссылку. Далее, в зависимости от характера системы и объема памяти, пользователь может углубить поиск в интересующем его направлении и «скачать» на свой терминал интересующую его информацию [53].
13.4.3.	Возможность передачи телевизионных программ по узкополосным каналам
Появление новых технологий ТВ вещания, а также новых каналов передачи данных, с развитием информационных технологий в обществе заставляет вещательное телевидение адаптироваться к новым формам распространения ТВ программ. Это важно, во-первых, ввиду постоянного роста количества ТВ программ и потребности в них, а также из-за особенностей цифровой формы распространения ТВ сигнала, которая предъявляет менее жесткие требования к характеристикам канала передачи по сравнению, например, с аналоговыми ТВ системами.
Как показано в гл. 5, система цифрового телевидения способна, например, обеспечить кодирование информации и сокращение скорости передачи до заданного значения, определяемой требованиями канала.
Если стандарт кодирования MPEG-2, сокращая скорость цифрового потока в десятки раз, позволил снизить скорость потока при передаче ТВ программы до нескольких мегабит в секунду и получил широкое распространение в вещательном телевидении, то для передачи изображения по компьютерной сети или по телефонному каналу такая скорость все еще велика. Усилия разработчиков группы MPEG в последние годы были направлены на создание стандарта MPEG-4, который обладает новыми возможностями кодирования информации и позволяет снизить цифровой поток при кодировании изображения до нескольких десятков килобит в секунду. Такое значительное сокращение цифрового потока незаменимо для ряда практических задач — в видеоконференцсвязи, при передаче видеоинформации по узкополосным, например, телефонным каналам, по сети Интернет.
Особенностью стандарта MPEG-4 является так называемый объектно-ориентированный подход к кодированию изображений, сущность которого заключается в том, что передаваемое изображение, а также звуковое сопровождение, могут быть представлены как совокупность аудио- и видеообъектов. Такими объектами могут быть люди или предметы, находящиеся перед неподвижным фоном, а также сам фон. Аудиообъектами также могут быть голоса людей, музыка, и т.д. Связанные аудио- и видеообъекты, например, изображение человека и его голос, образуют единицу кодируемой информации в стандарте MPEG-4 — «аудио-визуальный объект» (АВО) (Audio-Visual Object, AVO) [21, 54].
342
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Описание изображения имеет иерархическую структуру. Алгоритм анализа изображения, используемый в стандарте MPEG-4, близок к механизму зрительного анализа изображения, для которого также характерна определенная иерархия в восприятии отдельных объектов (по их размеру и значимости). Соответственно, структура построения кодирующего устройства определяется самой логикой кодирования образа на передающей стороне: изображение передаваемой сцены сначала анализируется, разделяется на отдельные АВО, к каждому из которых применяются соответствующие средства анализа и кодирования. После кодирования информация представляется в виде специального протокола, который называется DMIF (Delivery Multimedia Integration Framework, интегрированная система доставки мультимедиа) и управляет потоками данных для мультимедиа. Этот протокол охватывает три основные сферы применения стандарта MPEG-4 — передачу по интерактивным сетям, например, по сети Интернет, передачу по обычным вещательным каналам, а также запись видеопрограмм на компакт-диски [21].
Стандарт MPEG-4 обладает большим набором средств для кодирования различной информации об объекте. Закодирована также может быть и дополнительная информация, например, текст, который в виде окна может появиться на экране при воспроизведении сцены. В стандарте предусмотрены методы кодирования изображений, среди которых есть как традиционные для MPEG-1 и MPEG-2, так и принципиально новые, основанные на понятии АВО. Стандарт может эффективно работать как с синтетическими изображениями, так и с реальными, применяя в каждом случае соответствующие инструменты кодирования.
Стандарт MPEG-4 окончательно был принят только в 1999 г. [54]. Его более широкое применение в вещательном телевидении значительно увеличит эффективность использования каналов передачи. Одно из применений стандарта связано с передачей ТВ программ по сети Интернет.
13.4.4.	Передача телевизионных программ по сети Интернет
Рост потребности общества в новых ТВ программах, в информации вообще, требует развития новых технологий ТВ вещания и новых каналов доставки ТВ программ телезрителям. Сеть Интернет в этом смысле всегда привлекала внимание разработчиков. Например, она практически свободна от национальных и географических ограничений, от ограничений по времени, и, самое главное, ее популярность растет чрезвычайно быстро. Из всех современных информационных технологий наиболее быстро развивающейся является сеть Интернет. Достаточно сказать, что число людей, которых по общению с сетью можно назвать пользователями, ежегодно удваивается. Считается.
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
343
что к 2010 году их число составит один миллиард человек [55]. Кроме того, передача аудиовизуальной информации через Интернет и, тем более, данных, давно не является технической проблемой.
Все это позволяет считать привлекательной возможность осуществлять вещание ТВ программ через сеть Интернет. Появились эквивалентные термины — веб-вещание или Интернет-вещание. Существует также понятие «стриминг» или «видеостриминг», от англоязычного слова streaming, обозначающего процесс передачи цифрового потока мультимедийной информации по сети.
Однако в отличие от эфирного вещания распространение информации в сети Интернет происходит по другим законам. Особенность сетей связи (в том числе и сети Интернет) состоит в том. что информация в них распространяется частями, т.е. пакетами. Каждый такой пакет, неся в себе (кроме основной информации) адреса отправления и назначения и проходя через сетевое оборудование, направляется в пункт назначения по маршруту, который в данный момент является оптимальным.
Как известно, сеть Интернет изначально строилась но принципу децентрализации. В этом ее разработчики видели залог высокой надежности и живучести в случае возникновения непредвиденных ситуаций. Это обстоятельство является достоинством, так как выравнивает нагрузку на различные звенья сети, делая их равноправными, но оборачивается недостатком, когда в результате оказывается так, что ни время доставки, ни последовательность доставки пакетов не являются жестко определенными. Такую ситуацию можно сравнить, например, с чтением художественной литературы, публикуемой в периодической печати по частям, когда доставка журнала либо задерживается, либо происходит нарушение последовательности выхода номеров. Этим объясняются принципиальные сложности, возникающие при передаче мультимедийной информации по сети Интернет, или, как говорят, мультимедийного трафика — аудио-или видеоинформации. Например, известная и недорогая услуга — телефонный разговор по сети Интернет (IP-телефония) имеет плохое качество звука в основном по этой причине.
Еще одно обстоятельство, влияющее па возможность распространения ТВ программ по сети Интернет, заключается в способе распространения (маршрутизации) информационных пакетов. Сеть Интернет способна доставлять пакеты по адресному принципу, т.е. из одного компьютера (сервера) в компьютер получателя, или, как говорят, «из точки в точку», как это показано на рис. 13.31,а. Такой способ распространения информации называется unicasting, или «унивещание» [50]. Для распространения ТВ программ этот способ плох тем, что попытка большого количества пользователей сети «зайти» на сервер, откуда распространяется интересующая их программа, не удается, так как сервер может одновременно отправлять информацию ограниченному числу пользователей. Кроме того, форми-
344
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Сервер 2
Сервер 1
Сервер 2
Рис. 13.31. Распространение информации по сети Интернет
ровать большое количество почти одинаковых потоков информации для большого числа пользователей нерационально. В примере, показанном на рисунке, пользователи 1, 4 и 5 запросили информацию с сервера 7, в результате чего сервер формирует три потока данных, предназначенных для названных пользователей.
Технология неограниченного распространения информации, называемая «broadcasting» («широкое вещание») и свойственная, например, эфирному вещанию, теоретически также может быть реализована в сетевом варианте (рис. 13.31,6), однако распространение информации без соответствующего запроса пользователя также приводит к нерациональной загрузке участков сети.
Достаточно универсальной является технология «multicasting» («мультивещание»), показанная на рис. 13.31,в. Этот способ распространения мультимедийной информации в сети Интернет счита
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
345
ется перспективным и позволяет так изменить работу сетевого оборудования, что в процессе маршрутизации информационных пакетов происходит их размножение (где это нужно) и распространение среди определенной группы получателей. Это не только разгружает сервер, являющийся источником распространяемой ТВ программы, но также позволяет незаметно для получателя организовать «вещание» отдельных частей ТВ программы с разных серверов. Такой способ позволяет организаторам вещания хранить распространяемую информацию у ее владельца, а не сосредотачивать ее на одном сервере. Кроме того, этот способ оптимизирует нагрузку на сеть, хотя и предъявляет повышенные требования к сетевому оборудованию. В приведенном на рисунке примере пользователи 1, 3. 4 н 5 запросили информацию с сервера 7, в результате чего получают се в режиме «мультивещания». Для реализации такого режима в некоторых узлах обеспечивается не только маршрутизация, но и размножение пакетов информации и распространение их среди пользователей — участников группы «мультивещания». В этих же узлах, как видно из рисунка, могут быть аналогично созданы условия для распространения информации тем же получателям, но уже с сервера 2, Такой переход от одного источника информации к другому, при неизменном составе получателей, может быть осуществлен для них незаметно.
Однако наиболее жесткое требование, предъявляемое возможностями сети Интернет к распространяемой по сети информации, это ограниченная скорость потока. Дело в том. что по статистике подавляющее большинство пользователей сети Интернет способны общаться с сетью с помощью модема и телефонной линии, т.е. по технологии «dial-up». Скорость передачи информации при этом составляет в среднем 33 кбит/с. Это определяет требования к способу кодирования информации, которое должно обеспечить передачу ТВ программы с заданной скоростью. Разработка стандарта MPEG-4, позволяющего эффективно сокращать цифровой поток передаваемого изображения, в своем низкоскоростном уровне (Very Low Bitrate Video, VLBV) допускает передачу изображений небольшого формата со скоростями от 5 до 64 кбит/с, что соответствует среднестатистическим скоростям в сети Интернет.
Часть IV. ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ
Глава 'Ц
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ЦЕНТРЫ
14.1.	Структура телевизионного центра
Телевизионный центр, или телецентр, представляет собой набор технических средств для создания ТВ программ и осуществления ТВ вещания. Различают программные и ретрансляционные телецентры, в зависимости от их технических возможностей и выполняемых задач.
Программные телецентры имеют телевизионные студии или иные средства для создания ТВ программ, ТВ фильмов, рекламных роликов или, как это принято называть, видеопродукутии. Они обладают также техническими возможностями для консервации (записи и хранения) готовых программ, программ других телецентров и их трансляции.
Ретрансляционные телецентры не создают собственных программ, а транслируют программы, получаемые от других телецентров по существующим каналам связи.
Укрупненная структурная схема телецентра показана на рис. 14.1. Достаточно крупный телецентр имеет аппаратно-студийный комплекс (АСК), предназначенный для производства ТВ программ, радиопередающий комплекс для тех видов вещания, для которых предназначен данный телецентр (эфирное, кабельное вещание, и т.д.), а также необходимое оборудование для связи с другими телецентрами, например, с помощью радиорелейной линии связи (междугородная аппаратная). Имеется также аппаратная для обслуживания передвижной телевизионной станции (ПТС), предназначенной для выездных съемок, проводимых вне студии, для трансляции концертов, спектаклей и т.д.
Телевизионные передачи, которые готовятся на телецентре, по виду использования технических средств подразделяются на студийные и внестудийные. Студийные передачи создаются в АСК телецентра с использованием сигналов, поступающих из студий, от средств
ГЛАВА 14. Телевизионные центры
347
Рис. 14.1. Укрупненная структурная схема телецентра
видеозаписи (например, видеомагнитофонов), с использованием телекинопроектора и киноматериалов. Внестудийные передачи создаются с помощью ПТС, репортажных телевизионных установок, а. также из междугородных программ, принятых по радиорелейным, кабельным и спутниковым ретрансляционным линиям связи. Возможны смешанные варианты создания программ.
Производство видеопродукции представляет собой процесс создания самостоятельных сюжетно-законченных частей ТВ программы, включающий подготовку ТВ передачи в специально оформленной студии; запись передачи (кроме прямых передач в эфир), включая дубли и отработку сцен, компоновку и монтаж сюжега передачи из заранее подготовленных видео- или киноматериалов с необходимыми спецэффектами, наложением титров и звука [57].
Средства видеозаписи ТВ программ предназначены для видеозаписи, монтажа, воспроизведения отдельных фрагментов и полных ТВ программ. Первичные видеофонограммы или видеоматериал, с наложенными титрами, спецэффектами, и т.д., поступают из студийных аппаратных, а также от внешних источников, монтируются, озвучиваются и хранятся в виде упорядоченных записей. Готовые сюжеты, записанные на магнитную ленту, запрашиваются из центральной аппаратной или источника видеозаписей во время выхода программы в эфир. Эти же видеосюжеты могут быть скопированы для нужд телецентра или обмена с другими организациями. Наиболее ценная ТВ и видеопродукция поступает на хранение в видеотеку АСК, а затем
348
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
— в специальные архивные хранилища.
Центральная аппаратная представляет собой коммутационнораспределительный узел телецентра. В ней обеспечивается прием сигналов изображения и звука от внешних и внутренних источников программ, коммутация источников сигналов с их потребителями, организуется оперативная связь со всеми службами телецентра. В центральную аппаратную поступают сигналы программ от средств видеозаписи, из телекинопроекционной аппаратной и от передвижных технических средств.
Качество работы оборудования телецентра контролирует служба технического контроля с помощью комплекса контрольно-измерительной аппаратуры.
К вспомогательным службам АСК относятся: лаборатории, ремонтные мастерские, просмотровые залы, монтажные и перемоточные стенды, а также артистические, гримерные, костюмерные, репетиционные помещения; декорационные мастерские и склады, кабинеты журналистов, ведущих программ и т.п.
Телевизионный передающий комплекс (см. рис. 14.1) предназначен для радиопередачи (в эфир, по коаксиальному кабелю, на спутниковый ретранслятор, в сеть сотового телевидения, и т.д.) телевизионных программ, создаваемых на данном телецентре, а также программ, поступающих извне на телецентр по внешним линиям связи. В состав передающего комплекса входят следующие помещения и оборудование [57].
Телевизионная радиостанция с передатчиками ТВ сигналов (видео) и звукового сопровождения. Каждый ТВ канал имеет свою пару передатчиков. Кроме того, каждый передатчик состоит из двух полукомплектов в одном ТВ канале, мощности которых складываются в мостовом устройстве. Сигналы передатчиков звука и видео складываются на выходе и подаются в общую антенно-фидерную систему.
Аппаратная междугородного телевидения (АМТ) обеспечивает коммутацию сигналов изображения и звука от местного телецентра и передачу их в кабельные, радиорелейные и спутниковые линии связи. Аппаратная также принимает центральные и другие программы по радиорелейным линиям связи и со спутников, для включения их в передачи местного телецентра.
Аппаратная передвижных телевизионных станций обеспечивает двустороннюю маломощную связь в ДМВ диапазоне с ПТС.
Радиолаборатория и ремонтная мастерская.
Антенны и фидерные устройства передатчиков и приемников телевизионной радиостанции, а также других служб аналогичного назначен! ия, размещаются на единой антенной вышке.
Все аппаратные ТВ передающего комплекса связаны с собственным пультом управления и контроля, двусторонне связанным с пультом центральной аппаратной АСК.
ГЛАВА 14. Телевизионные центры
349
14.2.	Аппаратно-студийный комплекс
Аппаратно-студийный комплекс представляет собой комплекс помещений и размещенного в них оборудования, предназначенный для производства видеопродукции — ТВ программ и их отдельных частей с использованием сигналов от собственных передающих камер или иных источников видеоинформации, которыми располагает телецентр. При этом применяются превращенные в видеосигналы киноматериалы, диапозитивы, фотографии, видеозаписи с видеомагнитофонов, от компьютеров, также видеопродукция от внешних источников [57].
В состав АСК входят студии, которых может быть несколько, причем они отличаются по размеру, и, следовательно, по назначению. Каждая студия представляет собой звукоизолированное помещение с размещенной в нем осветительной, телевизионной и звуковой аппаратурой, технической аппаратной с пультами видео- и звукоинженеров, а также аппаратные видео- и звукорежиссеров.
Студия оборудована системой освещения, управляемой с пульта осветителя или вручную, микрофонами на специальных штангах («журавлях»). В ней установлены телевизионные камеры на штативах, выносные контрольные видеомониторы, система служебной связи с персоналом технической аппаратной и режиссерами. В студии размещены также дикторский пульт, специальная мебель и декорации, или техника для их синтеза.
Студия представляет собой коробку (по размеру соответствующего помещения), установленную на специальных амортизаторах, позволяющих уменьшить проникновение в студию вибрации здания. Стены и потолок студии покрываются звуконепроницаемыми и звукопоглощающими материалами, создающими естественность звучания. В стене, прилегающей к видео- и звукорежиссерским аппаратным, имеется большое смотровое окно, обеспечивающее обзор всей студии творческими работниками, создающими ТВ программу.
В технической аппаратной размещается аппаратура формирования сигнала. Такая аппаратура, в задачи которой входит дальнейшая обработка ТВ сигнала, полученного от передающей камеры, называется камерным каналом. Количество камерных каналов, расположенных в технической аппаратной, определяется числом камер в студии. Кроме того, имеется аппаратура контроля и измерений, аппаратура синхронизации и микшерного оборудования, а также видеомониторы. С пульта видеоинженера производится контроль и управление работой датчиков сигналов, переход на резервные комплекты оборудования, координация действий технического персонала в студии и, если необходимо, — в телекинопроекционной аппаратной. К технической аппаратной относится также оборудование видеокоммутаторов, микшерных устройств, знакогенераторов, генераторов электронной испытательной таблицы, датчиков специальных эффектов и дополнительной текстовой и графической видеоинформации.
350
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Аппаратная звука оснащена звуковыми колонками (звуковыми мониторами), магнитофонами и другим оборудованием, управляемым с пульта звукорежиссера.
В состав оборудования аппаратной видеорежиссера входят: пульт видеорежиссера с рабочими местами ассистентов режиссера с коммутационно-микшерным оборудованием; программное устройство с набором блоков спецэффектов; органы управления служебной связью.
При формировании программы используются коммутаторы, микшеры, генераторы спецэффектов, системы электронной рирпроекции, телевизионные знакогенераторы, «световое перо», синтезаторы цветных фонов и эффектов, а также видеозаписи, аппаратура электронного монтажа.
Устройство спецэффектов на основе цифровой техники обеспечивает изменение размеров и наклона растра, вращение изображения в разных плоскостях, введение участков изображения с масштабированием, изменение цвета и фона изображения, образование цветных тянущихся продолжений и т.д. Спецэффекты могут быть созданы аппаратурой компьютерной видеографики с мультипликацией и др.
Системы электронной рирпроекции предназначены для формирования комбинированных изображений, в которых объекты переднего плана (актеры и предметы реквизита) размещаются перед таким изображением заднего плана, которое выбирает режиссер и заранее «вводит» его в устройство рирпроекции [8]. Это можно увидеть па экране телевизора, когда, например, лицо диктора располагается на фоне кадров, иллюстрирующих комментируемые им новости. При этом на самом деле диктор сидит в студии, глядя в объектив камеры, а за его спиной располагается так называемый «условный фон» — равномерно окрашенная поверхность. Она окрашена таким цветом (обычно синим), который является статистически редким и не должен встречаться ни в одежде артистов, ни в реквизите, находящихся в студии. При обработке ТВ сигнала, полученного от камеры, происходит следующее: фрагменты ТВ сигнала, соответствующие по цвету условному фону, управляют работой специального коммутатора, заменяющего их па фрагменты другого сигнала, который в данный момент используется вместо заднего плана. Такой способ позволяет использовать при съемке в студии заранее подготовленный задний план, что, безусловно, значительно расширяет творческие возможности создателей ТВ программы.
В последние годы появился еще один способ расширения творческих возможностей режиссера при съемке программы в условиях студни. Этот способ известен под названием «виртуальной студии» [58] и представляет собой сочетание технологии рирпроекции с компьютерным синтезом изображения. Техника рирпроекции позволяет лишь заменить изображение заднего плана в снимаемой сцене другим изображением, таким же «плоским» и не меняющимся при из
ГЛАВА 14. Телевизионные центры
351
менении позиции съемочной камеры в студии. В отличие от этого технология виртуальной студии позволяет режиссеру значительно больше: она предполагает наличие мощного компьютера, который по заранее введенным данным синтезирует виртуальные изображения реквизита и других предметов передаваемой сцены и «встраивает» эти изображения в сформированный ТВ сигнал. Синтезированные изображения для телезрителя оказываются неотличимы от натуральных — имеют такие же тени и блики, так же изменяются при «наезде» камеры на снимаемый объект или группу, «перекрывают» друг друга, если необходимо. Компьютер, синтезирующий изображения «виртуальных» объектов сцены, располагает необходимой для этого информацией и так же, как и при рирпроекции, используется «условный» задний план, содержащий в этом случае не просто фон с определенным цветом, а некоторый плоский схематический рисунок на заднем фоне. Этот рисунок, безусловно, не появляется в кадре уже готовой ТВ программы, однако он воспринимается съемочной камерой, а затем — компьютером. По трапецеидальным и другим перспективным искажениям этого рисунка, компьютер получает информацию о том, каким пространственным преобразованиям должен быть подвергнут образ виртуального объекта сцены, находящегося на месте заднего плана.
Продукцией на выходе АСК являются полный цветовой телевизионный сигнал (ПЦТВС), соответствующий требованиям ГОСТ 7845-92, в форме видеозаписи или подготовленный для прямой передачи в эфир, который окончательно формируется в линейном усилителе, где в видеосигнал вводятся сигналы синхронизации. Для стабилизации выходных уровней ПЦТВС в линейном усилителе используется система автоматической регулировки усиления.
14.3.	Телевизионные передающие камеры
Передающая телевизионная камера предназначена для преобразования светового потока, отраженного от объекта, в электрические сигналы трех цветоделенных изображений, подаваемые в блок камерного канала по камерному кабелю. Для работы в составе АСБ и ПТС предназначены студийные цветные телевизионные камеры [26, 59-61]. Такая камера состоит из оптической головки, самой камеры и электронного видоискателя.
Оптическая головка (рис. 14.2) представляет собой собранные в единое целое вариообъектив 7, светоделительиый блок 5, встроенный или подключаемый диапроектор, систему подсветки мишени, смены светофильтров 2 и систему автоматического управления. Штриховыми линиями на рисунке показаны поверхности со светоделительны-мп покрытиями (дихроическими зеркалами). Принцип работы этих зеркал основан на интерференции (сложении различных длин волн)
352
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 14.2. Конструкция призменного цветоделительного блока:
1 — вариообъектив; 2 — нейтральный светофильтр;
3 — склеенные призмы
В
Диапроектор и подсветка
Рис. 14.3. Структурная схема цветной передающей камеры
света в тонких пленках [26]. Световой поток, попадая на первую ди-хроическую поверхность, разделяется в соответствии со спектральной характеристикой покрытия: синяя составляющая отражается, попадает на вторую отражающую грань призмы и направляется на передающую трубку синего канала В. Световой поток, прошедший дихроическую поверхность первой призмы, попадает на дихроиче-скую поверхность второй призмы, отражающую вторую, зеленую составляющую изображения. Эта составляющая после полного внутреннего отражения на второй поверхности призмы попадает на передающую трубку яркостного канала W. Третья цветовая составляющая светового потока, красная, проходит прямо на передающую трубку красного канала R.
Оптическая головка 2 (рис. 14.3) конструктивно объединена с тремя блоками передающих трубок типа глетикон или плюмбикон В блок каждой трубки входят фокусирующая и отклоняющая система (ФОС) и предварительный усилитель 3. В самой камере размещены блоки: выходных каскадов 5, синхронизации, развертывающих устройств 6, телеуправления 7, регулировки тока луча Р, высокочастотного уплотнения 10, питания 8. Для контроля изображения на камере установлен поворотный черно-белый видоискатель (видеоконтрол ыюе устройство с высоким разрешением и яркостью).
На мишени глетиконов через вариообъектив. 1 и светоделитель-
ГЛАВА 14. Телевизионные центры
353
ную систему 2 проецируются красное (R), синее (В) и псевдояр-костное (IV) изображения передаваемого объекта. Использование псевдояркостного сигнала вместо зеленого (G) позволяет улучшить чувствительность камеры при допустимом ухудшении цветопередачи. Светоделенные сигналы Er, Ew и Er 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.
Система уплотнения предназначена для передачи по двум коаксиальным жилам камерного кабеля во встречных направлениях сигналов: основных цветов Er, Er, звукового сопровождения, передаваемых из камеры в канал, и сигналов сложного сигнала телеуправления (ССТУ), передаваемых из канала в камеру.
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 — предусмотрены средства обработки сигналов. Если же назначение камеры — полное формирование сигнала для ввода в стандартную вещательную систему (иногда с промежуточной записью), то вся обработка сигналов происходит в камере.
Разработка новых высокостабильных элементов, стабилизаторов токов и напряжений, фокусирующих и развертывающих систем, а также автоматических систем совмещения растров и баланса белого и черного телевизионного сигнала позволила создать достаточно надежные и удобные в эксплуатации трехтрубочные камеры. Дальнейшее развитие передающих камер позволяет улучшить их параметры и уменьшить число фотоэлектрических преобразователей. Примером является создание двух- и однотрубочных камер и камер с твердотельными преобразователями на приборах с зарядовой связью [61, 62].
14.4. Технические, режиссерские и центральные 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 оборудование для низкочастотного звукового сопровождения. В аппаратную также подаются
354
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Камерный канал
Рис. 14.4. Структурная схема блока камерного канала
сигналы от телекинопроектора (телекинопроекционная аппаратная, см. рис. 14.1), от устройств видеозаписи и т.д.
От каждой из камер в блок камерного канала (рис. 14.4) поступают по коаксиальным парам сигналы Ew с полосой частот 6,5 МГц, Ев и Ев с полосой частот 1,5 МГц. Сигнал Ew подается непосредственно в усилительный тракт, а Ев 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, а также паразитных сигналов строчной частоты, предусмотрена схема коррекции авторассеяния, возникшая из-за рассеяния светового потока в оптической части камеры и в передающих трубках, а также осуществляется коррекция неравномерности фона изображения по полю замешиванием в видеосигнал сигналов параболической и пилообразной формы частоты строк и полей и модуляция видеосигнала изменением коэффициента усиления. Далее сигналы Ев. Ев и Ew поступают в цветокорректор, причем сигнал Ew сначала проходит через апертурный корректор. Цветокорректор из трех сигналов формирует три новых, каждый — как линейное уравнение с тремя неизвестными, где в качестве неизвестных используются сигналы на входе, а коэффициенты, называемые коэффициентами цветокоррекции, могут регулироваться в процессе настройки таким образом, что каждый из грех выходных сигналов цветокорректора представляет собой сумму, в которую в разном соотношении и с разными знаками входят все три входных сигнала. В цветокорректоре осуществляется как коррекция ошибки цветоапализа, вызванной несоответствием спектральных характеристик камеры кривым смешения основных цветов приемника, гак и формирование сигналов Ев. Eg и Ев-
ГЛАВА 14. Телевизионные центры
355
Апертурный корректор предназначен для коррекции искажений, возникающих из-за конечного размера развертывающего элемента (например, электронного луча). Эти искажения имеют место, когда размер изображения, спроецированного на фоточувствительную поверхность преобразователя оптического изображения в электрический сигнал, соизмерим с размером развертывающего элемента.
После прохождения гамма-корректора (в обозначение сигналов, прошедших гамма-корректор, добавляется штрих) в выходном усилителе в сигнал изображения замешиваются гасящие импульсы приемной трубки и происходит ограничение гасящих импульсов на уровне гашения. С выхода усилителя сигналы поступают на кодирующее устройство и цветные мониторы. На микшер приходят также сигналы от других камерных каналов.
В технической аппаратной располагаются также осциллографы, измерительная аппаратура и другое вспомогательное оборудование. Синхрогенератор технической аппаратной может работать как в режиме централизованной синхронизации, так и в автономном или ведомом режиме. В режиссерской аппаратной, которая для создания наилучших условий работы творческому и техническому персоналу располагается отдельно от технической аппаратной, размещаются пульты режиссера и звукорежиссера, мониторы, акустическое оборудование. Пульты режиссера и звукорежиссера находятся непосредственно у смотрового окна, соединяющего студию с режиссерской аппаратной, причем так, чтобы удобно было вести наблюдение за игрой артистов в студии и за телевизионными изображениями, поступающими на мониторы, на которые подаются также сигналы от всех источников, в том числе и из центральной аппаратной.
Создание художественных передач требует широкого выбора технических возможностей телецентра. Для этого используется несколько передающих камер, формирующих изображение под разными углами (ракурсами) и с разными масштабами (планами), а также специальное оборудование для создания комбинированных изображений. Сюда относится аппаратура спецэффектов и видеоэффектов, электронная и оптическая рирпроекция, датчики электрических сигналов различных заставок, надписей и т.д.
Блок спецэффектов входит в состав видеоусилите/1ьных трактов всех студий и в простейшем случае помогает формировать комбинированное изображение, состоящее из двух составных частей с разными сюжетами. Для передачи этих сюжетов могут применяться 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 быстродейству
356
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
ющего 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 (ЗУ) на кадр или на несколько кадров с предварительным преобразованием аналоговой формы телевизионного сигнала в цифровую. В ЗУ записывается цифровой ТВ сигнал с тактовой частотой, определяемой строчной частотой сигнала записи. Генератор этих сигналов управляется синхронизирующими 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 цифро-аналоговом 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 и 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;
•	создание полиэкранных 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 центральной аппаратной коммутируют сигналы из кинопроекционных аппаратных, приемной аппарат
ГЛАВА 14. Телевизионные центры
357
ной внешних программ, АСБ, от собственных датчиков (электронноиспытательной таблицы УЭИТ и устройства показа времени). Из перечисленных источников сигнала программный режиссер составляет выходные программы, которые затем передаются на телевизионные радиостанции и междугородные линии связи. Сигналы датчиков ПЦТВС через центральную аппаратную 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.
14.5.	Телекинопроекционные аппаратные
Телекинопроекционные аппаратные предназначены для демонстрации по сети ТВ вещания художественных, научно-популярных и хроникальных кинофильмов, а также для использования кипофото-материалов в качестве коротких вставок — фрагментов — в передачи, подготавливаемые с помощью других источников в ТВ программы телецентра.
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, подготовки хроникальных материалов и др. Поэтому крупные телецентры, как правило, имеют необходимую телекиноаппаратуру.
Передача кинофильмов по телевидению, несмотря на общность принципов воспроизведения изображений, связана с известными трудностями, причина которых в некоторых различиях параметров кинопроекционных и ТВ систем. В связи с этим для 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 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 типа 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 значи-
358
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 14.5. Оптическая схема кинопроектора
тельно увеличено, и, как результат, снижены требования к чувствительности передающей трубки.
На рис. 14.5 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 Прерывистое движение пленки осуществляется грейфером 10, входящим в перфорационные отверстия.
В последнее время для передачи кинофильмов разработаны полупроводниковые кинопередающие камеры на линейных (однострочных) приборах с зарядовой связью (ПЗС). Основные параметры этих фотоэлектрических преобразователей — разрешающая способность и динамический диапазон — в настоящее время 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 развертка). 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. Информация 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 осуществляется с помощью микропроцессоров.
В телскинопроекционных аппаратных размещаются три группы оборудования: кинопосты (кинопроекторы, диапроекторы, передающие камеры, оптические коммутаторы), аппаратура формирования полного телевизионного сигнала и пульты управления работой этих устройств. Однако в связи с трудностями по передаче киноматериалов по телевидению в последнее время все чаще практикуется их
ГЛАВА 14. Телевизионные центры
359
перезапись на магнитную пленку с последующей демонстрацией этих записей (магнитофильмов) с помощью видеомагнитофонов.
14.6.	Синхронизация
В центральной аппаратной расположена аппаратура синхронизации. С пульта программного видеорежиссера осуществляется выход всех создаваемых на телецентре программ на радиокомнлекс согласно расписанию. С пульта видеоинженера ведутся: контроль над работой оборудования; контроль всех входных и выходных параметров видео- и звуковых сигналов; набор источников программ, поступающих из АСК.
Синхронизация отдельных сигналов на телецентре имеет особое значение, так как влияет на качественные показатели сигнала готовой ТВ программы, и ее роль возрастает с ростом числа программ и числа источников информации.
Все источники сигналов, используемые на телецентре для синтеза ТВ программы, должны быть синхронны и синфазны. Это требование относится также и к иногородним источникам, к Г1ТС и т.д. Задача синхронизации решается на телецентре по-разному, в зависимости от того, где расположены источники сигнала, которые необходимо синхронизировать.
Источники сигнала в здании телецентра синхронизируются между собой благодаря тому, что генераторы сигналов синхронизации (синхрогенераторы), расположенные в аппаратных, способны синхронизировать работу студийного оборудования - передающих камер, телекинопроектора, видеомагнитофона, а также других устройств обработки ТВ сигнала. На рис. 14.1 синхрогенераторы не показаны, чтобы не загромождать рисунок, однако все изображенные на рисунке комплексы имеют собственные источники сигналов синхронизации. Каждый синхрогенератор содержит высокостабильный (не хуже 10“6), часто даже снабженный специальным термостатом, задающий генератор. Имеются также делители частоты с дополнительными логическими элементами, позволяющими получить набор различных импульсов, необходимый для работы управляемого синхрогенератором устройства. Синхрогенератор может работать в автономном режиме — при этом самостоятельно способен специальным сигналом синхронизировать работу других синхрогенераторов. Возможен также «ведомый» режим, при котором синхрогенератор с помощью специальной схемы АПЧ «подстраивает» частоту своего задающего генератора от другого источника опорной частоты или фазы. Кроме того, предусмотрен режим работы синхрогенератора, при котором он синхронизируется от другого синхрогенератора с помощью так называемого «сигнала централизованной синхронизации», содержащего смесь импульсов частот 12,5 Гц и 1 МГц.
Сигналы синхронизации передаются внутри телецентра по внутренней коммуникационной сети и обеспечивают синхронизацию тех
360
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
устройств, которые в данный момент участвуют в формировании ТВ программы.
Синхронизация источников сигнала, расположенных-вне телецентра на относительно большом расстоянии, осуществляется с помощью так называемых «синхронизаторов несинхронных источников». Такое устройство представляет собой блок памяти на ТВ кадр, запись информации в который происходит синхронно с сигналом, поступающим на телецентр от постороннего удаленного источника, а считывание синхронизируется синхрогенератором телецентра, например, тем синхрогенератором, который в данный момент синхронизирует записывающий видеомагнитофон. Программы телевидения создаются в основном в крупных городах: столицах, краевых и областных центрах. При этом предполагается их трансляция и обмен программами между крупными городами путем создания сетей телевизионного вещания. Рассмотренная структурная схема позволяет всему комплексу сооружений телецентра оптимально функционировать и обеспечивать ТВ вещание на заданной территории.
Успехи развития ТВ техники за последние годы подвергли значительному изменению многие устоявшиеся понятия из области телевидения и в том числе представления о размерах и роли отдельных звеньев, входящих в состав телевизионного центра. Тем не менее показанная структура в общих чертах остается неизменной, так как она в результате многолетнего опыта оптимизирована для выполнения основной задачи — подготовки и выдачи в эфир ТВ программ.
Следует заметить, что основной задачей телецентра является распространение ТВ программ. Поэтому прогресс последних лет в области «доставки» ТВ.программ потребителю, а также развитие новых технологий ТВ вещания оказывают влияние на техническое оснащение телевизионных центров, их расположение и число, а также на использование определенных диапазонов частот и на вид их использования. Остановимся на важнейших тенденциях этого развития.
14.7.	Развитие средств распространения телевизионных программ
Развитие новых цифровых технологий в вещательном телевидении, а также реализация принципа интерактивности вносят значительные изменения в структуру ТВ вещания. Например, термин «сети кабельного телевидения» все чаще заменяется понятием «муль-тисервисные сети» [52], что справедливо отражает как быстрый рост возможностей сетей ТВ вещания, так и сопутствующий рост требований к ним.
Одним из признаков такого развития являются изменения в использовании частотного диапазона. В настоящее время в России, согласно частотному плану, для ТВ вещания отведены полосы частот
ГЛАВА 14. Телевизионные центры
361
48,5...230 МГц в метровом и 470...790 МГц в дециметровом диапазонах волн. По мере развития кабельного телевидения в план вводятся так называемые «специальные» каналы, лежащие в диапазонах ПО...174 и 230...294 МГц [63].
Кроме того, развитие интерактивного телевидения, которое технически проще осуществлялось в кабельных сетях, привело к тому, что в кабельном телевидении установилась полоса частот для обратного канала 3...5 МГц. Таким образом, действующий в настоящее время отечественный частотный план содержит всего 68 ТВ каналов, из которых 28 — в метровом диапазоне, а 40 — в дециметровом [52].
Сравнительно новой формой распространения ТВ программ является также «эфирно-кабельный» принцип, который часто называют «сотовым телевидением» [52]. К таким системам относят:
•	MMDS (Microwave Multipoint Distribution System) — микроволновая многоточечная система распространения ТВ программ, разработанная изначально для диапазона 2,5...2,7 ГГц.
•	LMDS (Local Multipoint Distribution System) — локальная многоточечная система распространения, разработанная в США и эксплуатируемая в США и Канаде. Рабочий диапазон — 25...32 ГГц.
•	MVDS (Multipoint Video Distribution System) — многоточечная система распространения ТВ сигнала, разработанная и эксплуатируемая в Западной Европе. Рабочий диапазон — 40,5... 42,5 ГГц.
В России для таких «эфирно-кабельных» распределительных систем выделены следующие частотные диапазоны: 2,5...2,7; 27,5...29,5 и 40,5...42,5 ГГц. Это позволяет использовать как американское, так и европейское оборудование.
Следует отметить достоинства систем «сотового» телевидения:
•	относительно высокое качество принимаемого сигнала и практически полное отсутствие «мертвых зон» за счет выбора размера «соты» от 1 до 6 км;
•	широкий выбор ТВ программ для пользователя — при наличии в сети большого количества «сот»;
•	высокая надежность сети благодаря рассредоточенным ретрансляторам, что важно, например, при стихийных бедствиях;
•	экологически безопасные уровни электромагнитного излучения;
•	сравнительно невысокая стоимость абонентской установки благодаря компактной малогабаритной антенне размером 15...25 см;
•	сравнительно низкий уровень помех в выделенном диапазоне частот (десятки гигагерц).
Кроме того, «сотовый» принцип построения сети ТВ вещания позволяет с большей легкостью организовать сбор информации, поступившей по обратному каналу от пользователей в каждой зоне. Это, в свою очередь, расширяет возможные функции ТВ системы и увеличивает набор услуг, предлагаемых пользователю [64].
362
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Глава 15
ФОРМИРОВАНИЕ АНАЛОГОВОГО
ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
15.1.	Особенности формирования аналогового телевизионного сигнала
Вещательные телевизионные системы строят по принципу максимального упрощения линий связи и приемников за счет усложнения передающего оборудования. В этих системах используется, как правило, один канат связи, по которому передаются все составляющие телевизионного сигнала: сигналы яркости и цветности, сигнал гашения лучей кинескопа во время обратных ходов разверток, сигнал синхронизации разверток приемника и сигнал цветовой синхронизации.
В результате преобразования свет-сигнал на выходе фотоэлектрических датчиков образуются исходные видеосигналы в аналоговой форме, уровни которых пропорциональны значениям световых потоков. Для дальнейшего использования этих сигналов, и в частности для преобразования их в цифровую форму, они подвергаются предварительной обработке: усилению, коррекции, формированию композитных сигналов и т.п.
Особенности аналогового телевизионного сигнала определяются принципами передачи изображения. В частности, в форме сигналов заключена информация о яркости и цветности деталей объекта. Особенностью сигнала является и его униполярность — в соответствии с яркостью изображения, т.е. наличие «постоянной» составляющей, пропорциональной средней яркости оригинала. Эту составляющую приходится передавать по каналу связи специальным методом — с помощью фиксации уровня черного.
В тракте формирования аналогового ТВ сигнала производятся следующие основные операции: усиливаются сигналы основных цветов (причем размах их регулируется так, чтобы при передаче белой детали он был у всех одинаковым); вводятся сигналы компенсации неравномерности фона растра передающих трубок; осуществляется противошумовая коррекция, а также уменьшаются апертурные, полутоновые и цветовые искажения изображения; вводятся сигналы гашения обратных ходов и синхронизации разверток приемника и ограничивается их уровень; ограничиваются выбросы сигналов, превышающие номинальный уровень белого для предотвращения перегрузок последующих каскадов тракта. Постоянство положения уровней сигналов относительно рабочих точек на характеристиках активных элементов тракта обеспечивается фиксацией уровня черного.
С помощью указанных операций формируются аналоговые сигналы основных цветов, сигналы яркости и цветности, цветоразност
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 363
ные сигналы, а также полный цветовой телевизионный сигнал (ПЦТВС) для амплитудной модуляции несущей частоты изображения одного из 60 радиоканалов сети вещательного телевидения (согласно ГОСТ 7845-79). Для передачи ПЦТВС на большие расстояния по различным линиям связи, а также для уменьшения избыточности видеоинформации, реализации видеоэффектов, преобразований стандартов, уменьшения уровня флуктуационных помех и других операций ПЦТВС (или его составляющие) преобразуется в цифровую форму. Это значительно улучшает качество изображения за счет уменьшения влияния искажений в протяженных линиях связи и расширяет возможности указанных процедур за счет использования ЭВМ и устройств с большим объемом памяти для запоминания ТВ сигналов одного или нескольких кадров.
Рассмотрим особенности реализации основных операций но формированию аналоговых ТВ сигналов.
15.2.	Фиксация уровня черного телевизионного сигнала
Уровни аналогового ТВ сигнала должны быть пропорциональны яркости деталей передаваемой сцены. Для этого необходимо, чтобы ТВ сигнал, модулирующий электронный луч приемной трубки, содержал постоянную составляющую, пропорциональную средней яркости изображения. Эта составляющая в процессе передачи меняется медленно или скачком при смене сюжета ТВ программы. Однако ви-деоусилительный тракт ТВ системы составлен преимущественно из усилителей переменного тока и по нему непосредственно «постоянная» составляющая передана быть не может. Поэтому для ее передачи приходится использовать специальный метод.
Применение метода основано па том, что уровень черного ТВ сигнала на выходе современных передающих трубок практически не зависит от содержания изображений и занимает всегда одно и то же положение при передаче оригиналов с различной средней яркостью. Другими словами, исходный сигнал яркости передающих трубок содержит постоянную составляющую, которая утрачивается в видео-усилительном тракте. Этот процесс поясняют осциллограммы сигналов (рис. 15.1) от двух передаваемых изображений: первое из них — черная полоса на белом фоне, а второе — белая полоса на черном фоне; минимальные Lomin и максимальные Lomax значения яркости изображений одинаковы, а средние — существенно различны и равны соответственно Lcpi и Тср2 (рис. 15.1,а). Исходные сигналы яркости на выходе передающей трубки показаны на рис. 15.1,6". Как видно из рисунка, размахи сигналов [/с, пропорциональные перепадам яркости, и положение уровней от равноосвещенных деталей обоих изображений одинаковы, а постоянные составляющие различны: Ттср] = Tcpi; tZcp2 = Тср2 соответственно.
364
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.1. Особенности передачи сигнала «постоянной» составляющей, пропорционального средней яркости изображения (СГИ —строчные гасящие импул ьсы)
Телевизионный сигнал после прохождения через разделительную цепь RpCp между каскадами усилителя располагается относительно нулевой оси (или так называемой линии равных площадей) таким образом, что площади, ограниченные положительной частью сигнала и осью и отрицательной частью сигнала и осью, равны (рис. 15.1,в). В результате потери постоянной составляющей размах сигналов от этих изображений не меняется, а положение уровней от одинаково освещенных деталей различных изображений изменяется в зависимости от их содержания.
Средняя яркость оригиналов, а следовательно, и постоянная составляющая могут меняться в широких пределах — почти от минимальной яркости до максимальной. Поэтому при отсутствии этой составляющей уровни телевизионного сигнала могут занимать различ
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 365
ное положение в области, почти в два раза превышающей его размах (см. рис. 15.1,в). Для отсутствия нелинейных искажений сигнала амплитудные характеристики усилителей должны быть линейны в указанной области динамического диапазона.
Если ТВ сигнал без постоянной составляющей использовать для модуляции тока луча кинескопа, то яркости деталей изображений будут искажены. Поэтому в приемнике и в некоторых других точках тракта, например, в ограничителях уровней сигнала, гамма-корректоре, модуляторе передатчика и др., приходится вводить постоянную составляющую. Она восстанавливается фиксацией вершин гасящих импульсов относительно некоторого постоянного потенциала (уровня фиксации). Из рис. 15.1,г видно, что преобразованные подобным образом сигналы вновь содержат постоянную составляющую. Таким образом, информация о средней яркости изображений передается по тракту ТВ системы косвенным методом.
Положение вершин строчных гасящих импульсов фиксируется с помощью межкаскадных разделительных цепей RPCP с коммутируемыми параметрами, т.е. с различными постоянными времени заряда и разряда конденсатора Ср.
Особенности работы схем фиксации рассмотрим на примере наиболее простой схемы на диоде VD (рис 15.2,а), которая предназначена для фиксации ТВ сигнала негативной полярности. Сигнал позитивной полярности фиксируется аналогичными схемами с обратным включением диода.
В обычном усилительном каскаде постоянное напряжение на разделительном конденсаторе Ср относительно точек земля — база (затвор) транзистора следующего каскада определяется в установившемся режиме лишь напряжением смещения Есм = Е$. Сигнал располагается относительно этого напряжения по линии равных площадей (интервал на рис. 15.2,в), так как заряд и разряд конденсатора Ср из-за равенства соответствующих постоянных времени равны. При этом форма сигнала ивх полностью повторяет форму сигнала ис при достаточно большой постоянной времени цепи RpCp.
Назначение схемы фиксации состоит в том, чтобы во время следования гасящих импульсов сделать напряжение па входе следующего каскада всегда одним и тем же и равным напряжению смещения (фиксации) Еф, а весь ТВ сигнал в интервалах между гасящими импульсами «переместить» в область более отрицательных значений. Это можно достичь, если ключом VS (рис. 15.2,5) подключать во время следования гасящих импульсов базу транзистора следующего каскада непосредственно к источнику Еф. В этом случае из-за дополнительного заряда конденсатора Ср током, пропорциональным значению ТВ сигнала в момент замыкания ключа, на нем образуется дополнительное постоянное напряжение заряда U? (рис. 15.2,в). Это напряжение «запоминается» на конденсатору и перемещает сигнал в область более отрицательных значений в пуриод между гасящими
366
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.2. Фиксация уровня черного ТВ сигнала негативной полярности: а — принципиальная схема; 6 — эквивалентная схема; в — эпюры напряжений
импульсами, когда ключ разомкнут. Роль ключа в схеме выполняет диод VD. Он открывается во время следования гасящих импульсов, когда напряжение на его аноде превысит напряжение на катоде (ключ VS замыкается на сопротивление, равное внутреннему сопротивлению диода в прямом направлении Rin при t = £3, рис. 15.2Дв).
Однако напряжение смещения не может мгновенно стать равным напряжению фиксации Еф из-за сопротивлений Вгп и ЯВых1 и конденсатора Ср, т.е. из-за конечного значения постоянной времени заряда
— Ср(/?ВЫХ1 + 7?щ||-Вр) ~ Ср(йВыХ1 + Rin), (15.1)
где R^ < Rp;	— параллельное соединение соответствую-
щих сопротивлений; RBblxi — выходное сопротивление предыдущего каскада.
Чтобы напряжение смещения к концу действия сравнительно короткого строчного гасящего импульса t„ стало равно 0,95...0,99 приложенного напряжения, постоянная времени заряда должна быть малой:	= £и/(3...5).
К концу действия импульса тока, проходящего через диод (i<), на конденсаторе Ср образуется дополнительное постоянное напряжение
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 367
Е/', зависящее от мгновенного значения входного сигнала в момент времени и постоянной времени заряда. Поэтому при t = tt[. когда диод запирается (ключ VS замыкается на внутреннее сопротивление диода в обратном направлении /Ло, рис. 15.2,б’.е), сигнал оказывается смещенным относительно напряжения £ф на величину Up. Таким образом, суммарное напряжение смещения Up = Еф + Up зависит от размаха сигнала между7 уровнем отпирания диода и уровнем черного сигнала ис при t — £3, т.е. от ДЕ/.
Напряжение Up при запертом диоде в период между гасящими импульсами медленно уменьшается из-за разряда конденсатора Ср на сопротивления Rp = Rp||RiQ|| jRbx2 и /?Вых1, где /?р||^о||йВх2 — параллельное включение сопротивлений, ЯВХ2 — входное сопротивление следующего каскада. Через промежуток времени Тстр — (при t — рис. 15.2,в) оно уменьшится на ДЕЛ
Значение напряжения ДЕ/ определяет все особенности работы схемы фиксации. Во-первых, в установившемся режиме диод отпирается напряжением сигнала, численно равным ДЕЛ Следовательно, от этого напряжения будут зависеть сопротивление диода Rin и значение г3. Во-вторых, от ДЕ/ зависит «перекос» ТВ сигнала, т.е. изменение яркости изображения вдоль строки (яркости фона) на экране приемной трубки. Чтобы это изменение не было заметно на изображении, необходимо, чтобы допустимый относительный перекос сигнала был равен Д = AU/Up 0,05.
Для того чтобы Д 0,05, постоянная времени разряда тр должна быть большой; при Rp > RBMXy
тр ъ CpRp « (Тстр - £И)/Д.	(15.2)
Значение сопротивления Rp обычно ограничивается входным сопротивлением усилительного каскада. Поэтому условие (15.2) по существу определяет емкость разделительного конденсатора
ср«(тстр - *и)/дя;.	(15.з)
Подставив (15.3) в (15.1), получим
(•^вых1 + Rгп )(Дзтр ~’^и)	/1 г л\
ДЯ'
йвых1 + Rin* (з...5)[(тстр/ги)-1]'	(15’5)
Обеспечить выполнение условия (15.5) чрезвычайно трудно, а в ряде случаев практически и невозможно из-за малого значения ДЕ/ и, как следствие, из-за большого Rin. Поэтому постоянная времени заряда сравнительно большая, и конденсатор Ср не успевает зарядиться за время действия строчного гасящего импульса. В результате уровень фиксации не остается постоянным и равным Еф, а зависит
368
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.3. Упрощенная схема фиксации на транзисторе
от размаха импульса, т.е. от содержания изображения. Только при большом размахе телевизионного сигнала Uc, т.е. при большом абсолютном значении /XU и малом R;n, изменение уровня фиксации из-за разной средней яркости изображений практически незначительно.
Для уменьшения RBbIxi в качестве предварительного каскада целесообразно использовать эмиттерный повторитель. Часто эмиттер-ный или истоковый повторитель используется и в качестве последующего каскада для увеличения ЯВХ2 (т.е. Яр). Недостатком этой схемы фиксации является и ее инерционность: при резком уменьшении средней яркости (например, при смене сюжета передаваемого изображения) уровень черного сигнала не фиксируется до тех пор, пока напряжение Up не уменьшится настолько, чтобы уровень гасящих импульсов был достаточным для открытия диода (^б--^8? рис. 15.3,в). В результате несколько строк изображения будут воспроизведены с искаженной яркостью. Поэтому в настоящее время используют более сложные схемы фиксации, в которых ключ VS выполняется на триоде, а управление его проводимостью осуществляется специальными управляющими импульсами, которые надежно отпирают триоды при любом мгновенном значении ТВ сигнала. Эти схемы работают при любой полярности ТВ сигнала. Управляющие импульсы формируются из строчных гасящих или синхронизирующих импульсов и следуют во время обратных ходов строчной развертки.
Простейшая подобная схема содержит полевой транзистор VT3, работающий в ключевом режиме (рис. 15.3). Напряжение на истоке VT3 образуется на делителе R1R2R3 от источника, питания Ек. Напряжение на резисторе R2 является напряжением фиксации и запирает транзистор VT3 в промежутках между управляющими импульсами. Управляющие импульсы положительной полярности поступают на затвор транзистора VT3 и отпирают его во время обратного хода строчной развертки.
Повышение стабильности уровня фиксации и уменьшение инерционности схемы достигаются уменьшением постоянной времени заряда т,.> Cp(J?BbIxi + RCho) из-за малого сопротивления сток-исток открытого транзистора ЯСиО- Конденсатор Ср во время активной ча-
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 369
в)
Рис. 15.4. Коррекция низкочастотных искажений ТВ сигнала с помощью фиксирующих схем: а — неискаженный сигнал; 6— сигнал с утраченными низкочастотными составляющими; в — сигнал после фиксации уровня черного
Рис. 15.5. Изменение отношения сигнал/фоновая помеха после фиксации уровня черного: а — сигнал Uci, линейно сложенный с помехой [/ф; 6— сигнал U'cl после фиксации уровня черного;
в — сигнал ис2, промодулирован-ный помехой (7ф; г— сигнал Ufc2 после фиксации уровня черного
сти строки Тстр — t„ разряжается через входное сопротивление RBX2 последующего каскада и выходное RBbixi предыдущего. Для повышения тр (за счет RBX2) и предотвращения спада, яркости вдоль строк в качестве следующего каскада целесообразно использовать эмиттер-ный или истоковый повторитель на полевом транзисторе с высоким входным сопротивлением.
Фиксирующие схемы используют не только для восстановления постоянной составляющей телевизионного сигнала. Их применяют для уменьшения его низкочастотных искажений (рис. 15.4) и уменьшения уровня аддитивных низкочастотных помех, т.е. помех, которые линейно суммируются с ТВ сигналом (рис. 15.5,а,б). Однако (‘ели сигнал промодулирован помехой, то устранить ее этим методом невозможно (рис. 15.5,в,г).
С помощью фиксации уровня черного удается использовать в тракте усилительные приборы меньшей мощности, а также снизить
2 1
370
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
нелинейные искажения сигнала, так как сокращается динамический диапазон изменения уровней входного сигнала: при отсутствии фиксации линейный участок входных характеристик усилительного каскада должен примерно в два раза превышать значение размаха сигнала Uc, а при наличии фиксации линейный участок может быть равен величине Uc (см. рис. 15.1). Фиксация уровня сигнала необходима также при ограничении уровней черного и белого, коррекции полутоновых искажений, модуляции несуш.ей частоты полным цветовым ТВ сигналом и т.п.
15.3.	Противошумовая коррекция
В усилительном тракте телевизионных систем принимается ряд мер для уменьшения зашумленности ТВ сигнала и снижения заметности помех на изображении. В частности, уровень аддитивных низкочастотных помех уменьшается с помощью фиксирующих цепей, а уровень флуктуационных помех — с помощью рационального конструирования входных каскадов тракта, противошумовой коррекции и шумоподавителей. Важность этих мероприятий определяется стремлением повысить чувствительность ТВ систем с учетом того, что передача сигнала и коррекция его любых искажений, как правило, сопровождаются увеличением уровня шумов.
Флуктуационные помехи в основном «засоряют» ТВ сигнал на участках тракта с малым размахом сигнала: в передающих трубках, во входных цепях предварительных видеоусилителей, в линиях связи и на входе приемников.
В телевизионных устройствах применяются два критерия оценки зашумленности сигнала: отношение сигнал/флуктуационная помеха и отношение сигнал/взвешенная флуктуационная помеха соответственно:	_	_
=	^ = ис/иш.	(15.6)
где Uc — размах сигнала изображения;
и'ш = \ Л SMdf	(15.7)
— среднеквадратическое (действующее) значение флуктуационных помех в полосе частот от /н до /в!
— / /^в
иш = «/ / ЗшИз/взвМdf	(15.8)
V f»
взвешенное среднеквадратическое значение флуктуационных помех; 5ш(си’) — спектральная плотность мощности помех, В2/Гц; в частности, для теплового шума согласно Найквисту на любом активном сопротивлении R при температуре Т, К, на всех частотах
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 371
полосы пропускания она одинакова — белый шум:
5Ш = (dU'm)2/df = 4kTR,	(15.9)
где к = 1,38 • 10-23 Дж/К — постоянная Больцмана; /н, /в — ниж-няя и верхняя граничные частоты полосы пропускания тракта, Гц: 3/взв(^) весовая функция помехи, учитывающая визуальное восприятие различных спектральных составляющих шума и унифицирующая учет воздействия флуктуационных помех с различным спектральным распределением мощности на ТВ изображение (см. гл. 4).
Критерий отношения сигнал/помеха применим, если спектральные распределения шумов всех источников помех одинаковы. В остальных случаях, и особенно когда приемником информации является глаз, а воспроизводящим устройством кинескоп, форма спектрального распределения помех (существенно неодинаковая для различных источников шумов тракта) значительно влияет на визуальную оценку зашумленности изображения.
Из-за инерционности указанных элементов ТВ системы и зависимости чувствительности зрительной системы от размеров и цвета объектов, детали изображения (в том числе и «ложные» от помех) воспринимаются глазом по-разному, в частности, более заметны зеленые крупные детали. Поэтому заметность помех на экране кинескопа зависит от вида шумов и значений параметров элементов ТВ системы; например, флуктуационные помехи с «треугольным» спектральным распределением (входные каскады предварительных усилителей и др.) менее заметны, чем белый шум одинаковой мощности (передающие трубки, их сопротивления нагрузки и др.).
Если в системе имеется q источников некоррелированных шумов, то результирующее значение взвешенных флуктуационных помех
ц шр
При этом на выходе тракта (или его участков) с заданной полосой пропускания результирующее отношение сигнал/взвешенная помеха
(15.10)
где 'ipi — Ud/Uwi — частный параметр г-го участка (например, передающей трубки тДг, предварительного видеоусилителя ^у, линии связи приемника и т.д.) — отношение размаха сигнала изображения Uci на выходе участка тракта с г-м источником флуктуационных помех к взвешенному действующему значению этих помех /7Ш;.
24”
372
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Например, на выходе предварительного видеоусилителя
I Ф%Ф%
^у = \7Г?72-	(15Л1>
У + Фу
Как следует из (15.10), при ф1 фр^_^ зашумленность ТВ сигнала в основном определяется флуктуациями в предыдущих звеньях тракта; при = V'pCi-i) результирующее отношение сигнал/взве-шенная помеха на выходе г-го звена уменьшается в \/2 раз (на 3 дБ); при фг С ^Р(г-1) зашумленность ТВ сигнала определяется г-м звеном. Поэтому отношение сигнал/взвешенная помеха каждого последующего участка тракта с источником помех должно в несколько раз превышать результирующее значение этого параметра на выходе предыдущего участка.
Это условие соблюдается далеко не для всех участков тракта. Например, при использовании передающих трубок без послекомму-тационного усиления сигнала (видикон, плюмбикон и др.) в предварительном видеоусилителе передающей камеры наблюдается значительное уменьшение отношения сигнал/взвешенная помеха передающей трубки фт. Это происходит из-за того, что размах сигнала на выходе передающей трубки обычно сравним с уровнем шумов входной цепи и, как следствие, фу <^т. Поэтому результирующее отношение сигнал/взвешенная помеха на выходе усилителя в основном определяется согласно (15.10) отношением сигнал/взвешенная помеха усилителя 'фру « фу, что заставляет использовать в нем противошумовую коррекцию.
Во входной цепи предварительного усилителя имеются по крайней мере два некоррелированных источника флуктуационных помех (рис. 15.6):
1) тепловые флуктуации в сопротивлении нагрузки трубки RH, при /в > /н равные
__. I rfb	________
ишн = \ / 5ШН df » VlkTRHfB-,	(15.12)
V ''/н
2) дробовые флуктуации в активных элементах усилительных каскадов L/^y; они могут быть оценены как эквивалентные тепловые (пересчитанные на вход усилителя) в соответствующем сопротивлении шумов:
Яшу = Яш1 + ^ + -/|^2 +...,	(15.13)
где 7?п11, Я1и2,-..,	- • • — эквивалентные сопротивления шумов и
коэффициенты усиления первого, второго и последующих каскадов. Например, для полевых транзисторов с крутизной S эквивалентное
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 373
Рис. 15.6. Входная цепь предварительного усилителя с простой противошумовой коррекцией: а — упрощенная принципиальная схема; 6— эквивалентная схема; в — АЧХ входной цепи усилителя уу и результирующая 7/рез
сопротивление шумов «0,75 х. Тогда
__,	/ г/в	__________
^шн = \ / 5шу df « v/4A,'T/?,ny/B.	(15.14)
V ''/н
Соответствующие генераторы эквивалентных шумов показаны . на рис. 15.6,61 Там же показана и паразитная емкость Сн = Ст + +СМ + Свх, шунтирующая сопротивление нагрузки трубки RH (Ст — выходная емкость трубки; См — емкость монтажа; Свх — входная емкость усилительного каскада).
Паразитная емкость Сн и сопротивление нагрузки RH образуют для сигнала изображения, шумов трубки и шумов нагрузки и'шн (кроме шумов усилителя и'шу) интегрирующую цепочку — ФНЧ с постоянной времени RHCH и коэффициентом передачи
ув х(щ) = —.	(15.15)
Эта цепочка оказывает большое влияние на параметры сигналов, форму частотной характеристики предварительного усилителя и, главное, на величину отношения сигнал/помеха и характер спектрального распределения плотности мощности шумов на выходе ПВУ.
Выясним, как можно повысить отношение сигнал/помеха ПВУ. Рассмотрим случай, когда входная цепь — ФНЧ вносит незначительные (допустимые) частотные искажения даже на верхней граничной
374
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
частоте полосы пропускания т.е. когда
1
У ИХ ДОП —
= 0,95... 0,98.
Если известно значение Сн, то это условие соблюдается при
\/1-у вх доп
1ндоп	р
Уйх доп^в^п
(15.16)
Тогда при Лндоп Rn > Rrny на входе ПВУ с учетом его шумов отношение сигнал/помеха
Фу вх
7СДН____
УК„)2 + (О2
_______ 1с_______
V^TTB^IRu + ЛШу/Л?,
1с /ъг
(15.17)
где Uc вх = ICRH — размах сигнала па входе усилителя (передающая трубка является генератором тока сигнала /с, так как ее внутреннее сопротивление RiT > Ян); = /(^J2 + (^Ly)2 “ действую-щее значение шумов нагрузки и усилительных каскадов, пересчитанных на вход усилителя.
В данном частном случае отношение сигнал/помеха на выходе усилителя не изменится, так как частотные характеристики входной цепи и ПВУ практически равномерные, и напряжения сигнала и всех флуктуаций увеличиваются одинаково на всех частотах полосы пропускания ПВУ. Поэтому и характер спектрального распределения мощности шумов для всех источников помех останется тем же — белый шум. Однако, как правило, отношение сигнал/помеха здесь значительно меньше, чем у предыдущего звена. Для повышения отношения сигнал/помеха ПВУ, как это следует из (15.17), необходимо:
а)	увеличить размах входного сигнала UCBX за счет увеличения размаха тока сигнала передающей трубки 7С;
б)	увеличить размах входного сигнала за счет увеличения сопротивления нагрузки трубки Rn — простая противошумовая коррекция Брауде. При этом шумы нагрузки также растут, но увеличение сигнала для рассмотренного частного случая в \fR^ раз «опережает» рост этих помех;
в)	дополнительно с простой противошумовой коррекцией увеличить размах отдельных частотных составляющих входного сигнала включением контура во входной цепи (рис. 15.7), настроенного на одну из промежуточных частот спектра /р — сложная противошумовая коррекция;
г)	уменьшить уровень шумов активных элементов входных каскад/) в П13У путем рационального конструирования, а в особых случаях н с помощью охлггждения деталей входной цепи усилителя.
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 375
В)
Рис. 15.7. Входная цепь предварительного усилителя со сложной противошумовой коррекцией:
а — упрощенная принципиальная схема; б— эквивалентная схема; в — АЧХ входной цепи Увх(ш), усилителя Уу(ы) и результирующая
Первый из указанных способов реализуется за счет увеличения освещенности передаваемого изображения и, следовательно, связан с большими энергетическими затратами, а в ряде случаев (например, при передаче с натурных сценических площадок) и неосуществим. Поэтому роль остальных методов весьма велика.
Особенно эффективно повышение = УЖЙ как это следует из (15.17), за счет увеличения Ru до значения для рассмотренного частного случая, когда не сказывается влияние паразитной емкости Сн. Но эта мера оказывается недостаточной.
Для противошумовой коррекции необходимо увеличивать RH до значений, в 103...104 раз превышающих /?НДоп (до 1...2 МОм), но в любом случае меньших RiT — для отсутствия параметрических искажений. Однако в этом случае АЧХ входной цепи увх(ы) имеет значительный спад на высоких частотах полосы пропускания. Эти искажения необходимо скорректировать в одном из промежуточных каскадов усилителя так, чтобы результирующая АЧХ «входная цепь — усилитель» была равномерной в требуемой полосе частот Ууез = Увх(^)Уу(^) ~ 1. Следовательно, АЧХ усилителя с учетом (15.15) должна иметь подъем в области высоких частот (рис. 15.6,а):
УуМ =	= л/1+^2ад.	(15.18)
Увх\ш)
Отношение сигнал/помеха на выходе усилителя при этом не соответствует выражению (15.17), а определяется из следующих соображений.
376
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Высокочастотные составляющие ТВ сигнала, ослабляющиеся во входной цепи, усиливаются в ПВУ в большей степени, чем низкочастотные, а коэффициент передачи «входная цепь — усилитель» Ко не будет зависеть от частоты, и размах сигнала на выходе ПВУ
t/свых = UCBXKQ = IcRhKq.	(15.19)
То же самое происходит с флуктуационными шумами нагрузки:
^нвых = \ [fa 5шн2/в2х(ц;)/<02 df « KQ^kTRHfB = Кой'ши. (15.20) V •'/н
Спектральная плотность мощности этой составляющей шума на выходе усилителя 5ШНвых = WnHBbix)W ~ ^TRhKq не зависит от частоты — белый шум.
Шумы активных элементов усилительных каскадов не. ослабляются во входной цепи, а только усиливаются в ПВУ. Поэтому
.	/	I	7 cj2R2C2\
^шувых = \ / Suxyl/Ж2 df «	1 +	~
V ''/н	V	'	'
.	(15.21)
Спектральная плотность мощности шумов активных элементов каскадов на выходе усилителя определяется формой его АЧХ и пропорциональна квадрату частоты — «треугольный» шум (рис. 15.6,в):
АвыхМ — ^шу^у(^) — ^TR^Kq (1 Wtf2CH2).
Отношение сигнал/помеха на выходе ПВУ с учетом (15.19)-(15.21)
= А.  ,	 1	(15.22)
^швых	/ 1 , Дшу А , ЧХЛнА
У Ян Д2 V +	3	)
Максимальное значение отношения сигнал/помеха ПВУ определится при RH 3/ш2С2/?шу как
VUax = - Аг	(15-23)
V 4A:i jB (^в Сн Rury
Таким образом, шумы усилителя при простой противошумовой коррекции определяются в основном флуктуациями в активных элементах первого каскада усилителя и имеют «треугольное» спектральное распределение. Поэтому анализ зашумленности ТВ сигнала в ПВУ по сравнению с вкладом других участков тракта пере
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 377
дачи сигнала (в том числе передающей трубки и входной цепи) должен проводиться исходя из величины отношения сигнал/взвешенная помеха.
Выражения для отношений сигнал/помеха и сигнал/взвешенная помеха предварительного усилителя для простой и сложной коррекции при /в > /н, а также рациональные соотношения параметров схем для получения максимальных значений и приведены в табл. 15.1 и 15.2.
В таблицах и на рис. 15.7 использованы следующие обозначения: 7'вх — внутреннее активное сопротивление катушки индуктивности LBX контура во входной цепи;
ишг — действующее значение тепловых флуктуаций в сопротивлении гвх;
A = /cX/l/4fcT/B; d=fB/fp- b = CH1/C„-, m=RH/Rli2;
W = -ЙнСн/ТвзВ! fp = 1/2% У LbxC^', Ra = /?н1Ян2/(Ян1 + -Rh2); c'„ = CH1CH2/CH; Ch=Ch1+Ch2; Ch1=Ct + C'm, Ch2 = Cbx + C";
WB — 2тг/в,	^взв ~ ^’в^взв-
С помощью простой противошумовой коррекции удается значительно — в 20...30 раз (на 25...30 дБ) повысить отношение сигнал/взвешенная помеха. Это и определяет ее широкое использование в предварительных видеоусилителях. С помощью сложной коррекции можно дополнительно повысить ф>у лишь в 1,5 раза (на 3,5 дБ). Однако здесь из-за наличия индуктивности во входной цепи и паразитных связей уменьшается устойчивость работы усилителя. Эти причины, а также сложность коррекции АЧХ входной цепи в ПВУ, т.е. обеспечение равномерной частотной характеристики «входная цепь — усилитель» (рис. 15.7,в), ограничивают использование сложной коррекции.
Отношение сигнал/взвешенная помеха можно повысить также с помощью рационального конструирования входных каскадов усилителя, т.е., как это следует из (15.23), табл. 15.1 и 15.2, в основном за счет уменьшения параметров Сн и т.е. произведения СдЯшу-
В качестве входных каскадов предварительных усилителей обычно используют реостатные каскады на полевых транзисторах с большим входным сопротивлением — каскады со стоковым выходом, истоковый повторитель и каскодные схемы.
Реостатный каскад на триоде обладает сравнительно малым шумовым сопротивлением Яш, но вместе с тем относительно большой входной емкостью Свх. Эта емкость значительно уменьшает отношение сигнал/взвешенная помеха и устойчивость работы усилителя. Каскад с истоковым выходом имеет сравнительно большое эквивалентное сопротивление шумов
Еш ~ Йш1 + (^ш2/А^п),	(15.24)
Таблица 15.1
Вид коррекции	Отношение сигнал/помеха			Рациональные условия	Максимальное отношение сигнал/помеха
Некоррек-тированный вход		А	 \/ Rh + 7?шу/			л /1 - <72 Яшу « Я„ V ЛХ ДОП- Он 2/вх доп	Ax/R^
Простая			А			з Е?			1.73/1
		y/l/RK + Дшу/Д2+^С2Яшу/3			п:т тгн С^С^Нцу	С^В Сн R-Ш у
Сложная	'К1 ‘ н	fl - ^-bmd2 + -b2md^j + \	3	5	/ Q? /	6 t9 3 ,4\ 1 4- — 1	d2 + -d4 3 \	5	7 )	гвх(Ь — I)2 2 , ЗД262	“ + |-l/2	S	0* -	Qq	”= II	О) Л "	¥	э >	-	А II	11	Е •в	£	СС	4,33.4 t^B С н	Рщу
Таблица 15.2
Вид коррекции	Отношение сигнал/взвешенная помеха	Рацирналъные условия	Максимальное отношение сигнал/взвешенная помеха
Некоррек-тирован-ный вход	А	1 ПВЗВ уЛ/Ян + Яшу/я?, V arctgQ»3»	R	R <r	~ доп Лшу %. <IH		 ^B О H l/вх доп	A^j ПвАВ у arctgf2B3B
Простая		А	 // 1	Ruiy \ arctgQB3B	С27^Шу V \Ян + Я2 J Пвзв	ТВ2ЗВ	R	R -4s	Твзв	a] ( t‘6 ^взв rttT > r£H >>	y О„./гшу “ьзв	Твзв А Сц Riiiy
Сложная	Г 1 /arctgQB3B 2bmd2 b2md4\ гъх(Ь — l)2u2 Пвзв	П2зв 1 3fi23J 1	R2b2 + Ящу rarct-gQ^. 2	1^\1Г’/2 Я2 L QB3B т V 3	5 /] J	d= УГ67; b - 1,8; 771 = 1; rBX 2Ншу: Rin D 2(QB3B arclgQB3B — 3) >ЯН>	9 -2	1,5твзв.4 Он Rm у
378	ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала
379
Рис. 15.8. Упрощенная каскодная схема входного каскада предварительного усилителя
но малую емкость С*вх, так как его коэффициент передачи К1Ш < 1.
Преимущества этих устройств удачно сочетаются г. каскодной схеме, которая состоит из двух последовательно соединенных нолевых транзисторов, работающих в режимах «заземленный исток» и «заземленный затвор» (рис. 15.8). Нагрузкой первого усилительного прибора является небольшое входное сопротивление второго RBX2 ~ 1/52 ~ 1/^21, так что при Si = S2 коэффициент усиления каскада
К1 = Кц К12 ~ 51/?вх252^2 ~ SiJ?2.
(15.25)
Эквивалентное сопротивление шумов и входная емкость этой схемы практически определяются параметрами первого транзистора. Отмеченные преимущества каскодной схемы и ее высокая устойчивость объясняются незначительной обратной связью между входом и выходом схемы из-за малого RBX2-
Коррекция амплитудно-частотных искажений входной цепи, возникающих из-за высокого значения 7?НСН, обычно производится с помощью частотно-зависимого делителя или цепочки частотно-зависимой отрицательной обратной связи, охватывающей несколько первых каскадов усилителя (рис. 15.9). В первой схеме сигнал поступает на потенциометрический делитель RK Cl, R2, С2. Параметры его выбираются так, что Ri 1?2, Су « С). Комплексное сопротивление нижнего плеча Z2 в пределах полосы пропускания практически не зависит от частоты, а верхнего плеча Z\, меняется в широких пределах: на высоких частотах Zi « Z2, а на. нижних в 103... 104 раз больше. Коэффициент передачи делителя при = RiR2/(Ri + R2) ~ R2, сг2 = с. + С2
УдМ
/1 -Ь (7^ у 1 -I- CL>2R‘2C‘22
Уменьшение низкочастотных составляющих сигнала в корректоре' при 7?iCi = RHCH соответствует их увеличению во входной цепи. Поэтому результирующие частотные характеристики усилите-
380
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.9. Упрощенные принципиальные схемы коррекции частотных искажений входной цепи:
а — с частотно-зависимым делителем; 6— с частотно-зависимой отрицательной обратной связью, охватывающей несколько первых каскадов усилителя
Предварительный видеоусилитель
3/рез — Увх (^)3/д(^)
ля получаются практически равномерными в заданной полосе ча-стот (см. рис. 15.6,в):
1 + 1 (1 W/?2C2)(1 +С^ВД2) ~
Для коррекции частотных искажений входной цепи часто используют также глубокую частотно-зависимую отрицательную обратную связь, охватывающую несколько первых каскадов усилителя. Она состоит из цепочки RocCoc с большой постоянной времени (рис. 15.9,6). Совместно с емкостью Сн эта цепь образует ФНЧ так, что на высоких частотах отрицательная обратная связь практически отсутствует, а на низких глубина ее составляет 3...4 порядка (в соответствии с ослаблением высоких частот во входной цепи). Более точная настройка АЧХ предварительного видеоусилителя (и соответственно идентичность этих характеристик у всех трех ПВУ каналов основных цветов передающей камеры) в ряде случаев производится дополнительной регулировкой АЧХ в области высоких частот с помощью частотно-зависимого делителя в одном из последующих каскадов ПВУ.
При использовании сложной противошумовой коррекции дополнительно применяется «вырезывающий» каскад с режекторным контуром. Каскад корректирует подъем частотной характеристики входной цепи на частоте /р. Для коррекции обычно используют схемы с параллельным контуром LBpCBprBpRBp в эмиттерной цепи или с последовательным контуром в коллекторной цепи. Оптимальная форма результирующей частотной характеристики входная цепь — корректор получается при следующих соотношениях параметров [8]:
^вр — зи0, ^вр^вр — 7"вхСн; Л/ВрСвр — /увхСн, /tBp — У-^вр/^ОВр, где Со — паразитная емкость схемы корректора; 2?.вр — сопроти
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 381
вление шунта; твр — внутреннее сопротивление катушки индуктивности Гвр.
Коррекция частотных искажений входной цепи приводит к значительному уменьшению размаха сигнала после корректора. Поэтому эта коррекция производится на сравнительно высоком уровне сигнала так, чтобы флуктуационные помехи каскадов после корректора практически не ухудшали отношение сигнал/взвешенная помеха.
15.4. Шумоподавители
Многочисленные преобразования и коррекции ТВ сигнала в процессе его формирования ухудшают отношение сигнал/помеха. Поэтому в усилительном тракте ТВ системы может возникнуть необходимость использования шумоподавителей. Принцип действия их основан на фильтрации ТВ сигнала с помощью гребенчатых фильтров.
Как известно, спектр ТВ сигнала имеет дискретную структуру с гармониками, кратными частотам повторения строк и кадров; причем последние группируются в виде достаточно узких боковых полос вокруг строчных гармоник. В то же время спектральная плотность шума распределена по всему спектру и практически одинакова как в области спектральных составляющих сигнала, так и между ними. Поэтому гребенчатый фильтр с максимумами коэффициента передачи на частотах, кратных частоте строчной развертки (пространственная фильтрация) или частоте передачи кадров (временная фильтрация), уменьшает флуктуационные помехи за счет подавления шумовых составляющих, расположенных в минимумах коэффициента передачи.
В настоящее время фильтры с узкими максимумами коэффициента передачи, чередующимися через 25 Гц или 15625 Гц в полосе пропускания усилительного тракта /в ~ б МГц, реализуются лишь на базе временных нерекурсивных и рекурсивных фильтров (с прямыми и обратными связями соответственно — рис. 15.10,а;^ и рис. 15.11,а,в,г). Они содержат оперативные запоминающие устройства ОЗУ для задержки входного сигнала на время 7Ь и сумматоры для взвешенного сложения входного и задержанного сигналов. Перед сложением сигналы умножаются на весовые коэффициенты а, /3 или у, изменение которых в пределах от 0 до 1 позволяет менять параметры и характеристики устройства. Алгебраическая сумма всех весовых коэффициентов должна быть равна 1 для нормирования коэффициента передачи 7\тах = 1, что позволяет при необходимости отключать («обойти») шумоподавитель.
Гребенчатая форма коэффициента передачи и АЧХ фильтров является периодической функцией с периодом, равным времени задержки сигнала в ОЗУ То = 2тг/ио (см. рис. 15.10). Она образуется за счет суммирования гармоник сигнала, совпадающих
382
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.10. Структурные схемы нерекурсивных временных гребенчатых фильтров первого (а) и второго (6) порядков; в — АЧХ фильтров: 1 — а = 0,1 (0,9); 2 — а = 0,3 (0,7); 3 — а = 0,5; 4 — а = у = 0,25; 5 — а — у — 0,333; г— переходная характеристика фильтра 6 при а = у = 0,25
в)
Рис. 15.11. Структурные схемы рекурсивного (а) и канонических (в, г) гребенчатых фильтров первого порядка; АЧХ рекурсивного фильтра (6)
по фазе, т.е. гармоник с частотами ki^o — /с2тг/7о, а также гармоник с частотами (А? + 0,5)cjq в противофазе (где k = 0,1,2...). Напри мер, простое сложение сигналов от двух соседних кадров статического изображения приводит к двукратному увеличению размаха коррелированного видеосигнала, в то время как действующее' значение некоррелированных флуктуационных помех увеличивает
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 383
ся лишь в >/2 раз: Ц'ез = y(^Li)2 + (^Ls)2 ~ v/2t7n,- При этом отношение сигнал/помеха также возрастает в х/2 раз (на 3 дБ). В более сложных случаях при использовании рекурсивных фильтров при 0,5 < (3 < 1 выигрыш отношения сигнал/помеха может быть значительно большим за счет уменьшения полосы пропускания максимумов АЧХ.
Однако движущиеся объекты ТВ изображения при такой обработке «смазаны», т.е. воспроизведены с меньшей четкостью. Отчасти это допустимо, так как разрешающая способность восприятия движущихся деталей и градационная разрешающая способность зрения для них уменьшаются. В общем случае долю ТВ сигнала от деталей, изменивших свое положение в соседнем кадре или строке, приходится ограничивать («взвешивать») при суммировании в зависимости от размеров деталей и скорости их движения. Очевидно,- при этом и выигрыш в повышении отношения сигнал/помеха уменьшается.
Переходная характеристика /г(п7о) — реакция системы на единичный скачок сигнала при п = 0 (где п — порядковый номер интервала времени ТЬ) приведена на рис. 15.10,г. Форма ее, в основном, зависит от значения скачков сигнала, следующих через интервалы времени Tq. Поэтому длительность фронта характеристики может быть задана в числе интервалов времени задержки Пф. Форма переходной характеристики позволяет оцепить реакцию системы на единичный импульс и па последовательность единичных импульсов.
В общем случае АЧХ гребенчатых фильтров первого и второго порядков, используемых в ТВ устройствах и содержащих соответственно одно или два ОЗУ, может быть найдена с помощью z-преобразования. В результате решения системы уравнений, связывающих входное Пвх(г) и выходное Пвых(2;) напряжения (умноженные на соответствующие весовые коэффициенты, а сигналы, поступающие с ОЗУ, — дополнительно на множитель z-1), в общем случае определяется передаточная функция [66]
J./ ч _ ^вых(^) _ Ар + Д] + Д2^2 ^вх(^)	+
При /<тах — 1 АЧХ фильтра
= /Ар + ,4Х coscATp + А2 cos 2^ k ' V Во + cos wT0 + В-2 cos 2wTb '
где A',nax — коэффициент передачи в максимумах АЧХ; Ao =	+
Ai = 2ai(ao + ci?); А2 — 2ао&2; Дэ — + 52 -f-	= 25] (5о + 52);
/?•/= 25052.
В результате указанных преобразований для нерекурсивного фильтра первого порядка (см. рис. 15.10,с) получим
АТР1(сэ) = л/1 - 2а(1 - а) + 2а(1 - a.')cosaXZo =
384
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
= у/1 — 4а(1 — a)sin2^^-;
/Лпах = 1; ^min = 1 — 2а на частотах kojQ и (& 4- О,5)ссо соответственно (рис. 15.10,в).
Относительная полоса пропускания максимумов на уровне 0,707
1	(1 - 2а)2
2А/Т0 = — arccos  q .
7г (1 - 2a)z - 1
Эффективность подавления шумов оценим с помощью коэффициента фильтрации белого шума
1
у/1 - 2а(1 - а)'
Переходная характеристика и ее длительность фронта ПфТЬ
h(nT0) =
прип = 0
прип 1
Пф = 1.
Как следует из выражений для <?бНр1 и 2А/Т0, их экстремальные значения будут при а = 0,5. Тогда

cjTo 2
-Kmax — 1) Kmin — 0j
2A/T0 min — 0,5', <Эбнр1 max — 1>41 (3 дБ).
Для нерекурсивного фильтра второго порядка (см. рис. 15.10,6) при весовых коэффициентах а = у и 1 — 2а (для симметрии переходной характеристики, малых фазочастотных искажений и Ктлх = 1)
/<нр2(сс>) = |1 - 2а 4- 2acosaXZo| — 1 ~ 4asin2^^-;
1 Л	°’293^ П	1
2А/Т0 = - arccos 1---— ; Q6hp2 = -7=====;
к \ 2а J и У(1 - 2а)2 4- 2а2
{а при п = 0 )
1 — а при п = 1 > Пф = 2.
1 при п 2 J
Как показывает анализ, здесь характерны два частных случая (см. рис. 15.10,в):
1) при а- = 7 = 0,25: ZCmin = 0 на частотах (& 4- О,5)ссо;
/тп
7\'11|)2(lv') = cos2^; 2Д/Т0 = 0,364; (?бнр2 = 1,63 (4,2 дБ); пф = 2;
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 385
2) при а = у = 0,333: ZCmin = 0 на частотах (/с 4- О,333)ссо и (к 4- О,666)сб>о; А^(а?) = 0,333 на частотах (к 4- 0,5)cjq; 2A/7binin = 0,311; С?бнр2тах — 1,/3 (4,8 дБ), 72ф — 2.
В рассмотренных нерекурсивных фильтрах нельзя получить более узкие максимумы АЧХ. Поэтому из-за сравнительно малой эффективности подавления флуктуационных помех они чаще используются в сочетании с рекурсивными (см. рис. 15.11,а) в так называемых канонических фильтрах с прямыми и обратными независимыми связями (см. рис. 15.11,в,г).
Характеристики рекурсивного фильтра первого порядка (см. рис. 15.11,а) при Z<max = 1 имеют вид
7<p(w) = (1 - /3)/v/l+/32-2/?coswT0;
Kmax = 1 И Kmln = (1 -/?)/(! + /3)
на частотах.fcwo и (fc + O,5)u>o соответственно (см. рис. 15.11,6);
2Д/Т0 = - arccos 1 ~	
тг	2/3
Q6p = h(nTo) = 1 "/?(П+1)'
Численные значения основных параметров рекурсивного фильтра приведены на рис. 15.12. Характерными особенностями фильтра по сравнению с нерекурсивным являются широкий диапазон изменения параметров при 0 < /3 < 1. Этот диапазон ограничен при /3 —> 1 уменьшением устойчивости устройства и увеличением времени установления переходной характеристики ПфТо. Вместе с тем при (3 —> 1 уменьшается относительная полоса пропускания максимумов и, как следствие, увеличивается коэффициент фильтрации шума. Например, при (3 = 0,9: пф = 20; 2А/Т0£ = 0,033; Q6p = 4,36 (12,8 дБ).
Анализ характеристик канонических фильтров рис. 15.11,в,г показывает, ЧТО рациональная форма АЧХ (Атах — 1, Amin — 0) ДЛЯ наибольшего подавления помех имеет место при следующих соотношениях весовых коэффициентов а — 0,5(1 4- /3) и у = 0,5. Тогда для обоих фильтров
ту / \___ ту / \ ту /\ __ 1	@ I 14“ cos cl>7~o
ki(w)- p(w)/Hpi(w)- ^2 у 1 + ^2-2/3coswT0;
1	2/3	I 2
2Д/70 = - arccos —(?бк1 = J-----------h(nT0) = 1 - 0,5/3n(1 + /3).
7Г	14- p2	у 1 — P
Форма АЧХ и параметры канонических фильтров первого порядка приведены на рис. 15.12 и 15.13,а. Отсчет параметров производится для 2AF7b = const.
25
386
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.12. Параметры рекурсивного (штриховые линии) и канонического (сплошные линии) фильтров
Рис. 15.13. Амплитудно-частотные характеристики
канонических фильтров:
а — первого порядка: 1 — при а = 0,625; /3 = 0.25; у = 0,5; 2 — при а = 0,75; /3 — 0,5; у — 0,5; 3— при а — 0,875; /3 — 0,75;
7 — 0,5; 6— второго порядка с двумя ОЗУ на ТЬстр = То и Tqk = zT$
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 387
Сравнение характеристик рассмотренных фильтров показывает, что канонические фильтры при одинаковой полосе пропускания максимумов за счет лучшей формы АЧХ обеспечивают несколько большее подавление помех, чем рекурсивные, но, главное — обладают большим запасом устойчивости [66], а следовательно, допускают и больший диапазон изменения параметров.
Повышение эффективности подавления шумов можно получить одновременным использованием межкадровой, межстрочной и межэлементной корреляции ТВ сигналов путем соответственно временной и пространственной (вертикальной и горизонтальной) фильтраций [67]. Реализация подобного шумоподавителя возможна с помощью гребенчатого фильтра третьего порядка с разными временными задержками на время длительности кадра, строки и элемента изображения (т.е. трех последовательно включенных канонических фильтров с ОЗУ на ТЬк — -То = 40 мс, ТЬстр = Тэ = 64 мкс и Тоэ = — 62,5...85,0 нс). Последний фильтр по существу представляет собой ФНЧ, понижающий уровень высокочастотных составляющих сигнала и шума.
Характеристики шумоподавителя с использованием двух гребенчатых канонических фильтров второго порядка при у = 7к,стР — 0,5 и <аК}Стр = 0,5(1 4- /?к,стр) описываются выражениями:
/<к2(ш) - (1 ~	~ ^тр) X
/	(1 - соьга;7о)(1 - coscjTq)
Х у (1 4- /?2 - 2/3K cos zcjT0)(1 + /4* 2тр “ ЖтР coscjT0) ’ ^к2тахтах = 1 На ЧаСТОТаХ kztdQ, a 7<min = 0 На частотах (fc 4- 0,5)сь>0 и (А* 4- О,5)гсь»о (рис. 15.13,6);
2Д/гТ0 = - arccos ; 2Д/Т0 = - arccos ............
7Г	1+^к	1 + Рстр
(в области частот, где Л'к2(й>) = 1<к2тахтах = 1);
2
Сбк2 = К. я VI	]<nzT^ ~ 1 -	+
Рк)\*- Метр/
При = /Зк - (Зстр: <Эбк2 = <Эбк1 = 2/(1 - /?) значительно превы-шает значения коэффициента подавления шума канонического фильтра первого порядка (?бк1- Например, при /3 = 0,9: (?бк2 = 20 (26 дБ).
Как следует из приведенных выражений, эффективность подавления флуктуационных помех гребенчатыми фильтрами при одинаковой корреляции между кадрами и строками не зависит от абсолютной величины времени задержки сигнала То в ОЗУ, т.е. от частоты повторения максимумов АЧХ (/ок = 25 Гц и /остр — 15625 Гц). В дей-
388
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.14. Структурная схема шумоподавителя на основе рекурсивного фильтра
ствительности же оно определяется фактическими величинами корреляций сигналов конкретного ТВ изображения. Величина и характер искажений изображенияг возникающих при временной или пространственной фильтрации реальных изображений, будут различны. Допустимые значения этих искажений и определяют эффективность подавления помех.
Очевидно, что при передаче статических изображений временная фильтрация из-за полной корреляции кадров не вносит искажений. Только появление новых объектов происходит с «задержкой предъявления» их во времени в соответствии с величиной Пф7ок- Использование же пространственной фильтрации при сложении сигналов от некоррелированных участков соседних строк во всех случаях, даже для статических изображений, сопровождается уменьшением четкости по вертикали (из-за размытия горизонтальных границ и уменьшения контраста мелких деталей), а также сдвигом объекта по вертикали (воспроизведение его на последующих строках в соответствии с длительностью фронта переходной характеристики Пф7остр). Например, при использовании нерекурсивного фильтра 2-го порядка (см. рис. 15.10,6) и а = 7 = 0,25 в случае передачи сигнала от одиночной детали размером в один элемент на на г-й и (г 4- 2)-й строках (как это следует из рис. 15.10,г) на выходе фильтра появляются «ложные» детали с размахом сигнала 0,25С7вх, а на (г 4- 1)-й строке — с размахом 0,5£/вх.
Наконец, при любом виде гребенчатой фильтрации движущиеся объекты будут «смазываться» пропорционально скорости их движения. Поэтому при уменьшении корреляции сигналов необходима адаптивная перестройка параметров гребенчатых фильтров (в частности, 2AFTo и ПфТо) в режиме реального времени так, чтобы обеспечить лучшее качество изображения за счет рационального обмена между частными параметрами — четкостью и отношением сигнал/помеха. Эту задачу выполняет анализатор корреляции сигналов -  так называемый детектор движения, в котором в результате сравнения сигналов на входе и выходе ОЗУ формируется управляющий сигнал, изменяющий значения весовых коэффициентов а, /3 или 7.
В качестве примера на рис. 15.14 приведена структурная схема
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 389
одного из простейших вариантов шумоподавителя на основе рекурсивного фильтра первого порядка. Она содержит умножители X для взвешенного сложения сигналов в сумматоре Xi и ОЗУ1 для задержки выходного сигнала на время Т$к, а также детектор движения. В последнем используются ОЗУ2 и сумматор для получения разностного сигнала от двух соседних кадров, а также формирователь сигналов управления (ФСУ) работой умножителей. Использование подобных устройств [68] позволяет при необходимости повысить отношение сигнал/помеха.
15.5. Апертурная коррекция
Апертурные искажения изображения возникают в фотоэлектрических преобразователях свет-сигнал из-за конечных поперечных размеров (апертуры) электронного луча, растекания зарядов и аберраций в оптических и электронных системах. Эти искажения приводят к уменьшению размаха высокочастотных составляющих ТВ сигнала и к увеличению длительности фронта переходной характеристики системы. В результате уменьшается четкость телевизионного изображения: размываются резкие границы крупных деталей и уменьшается контраст мелких деталей. В отличие от частотных искажений, возникающих в усилительных каскадах тракта, апертурные искажения не сопровождаются фазочастотпыми искажениями. Поэтому и методы коррекции здесь используются другие.
Апертурные искажения оцениваются либо по переходной, либо по апертурной характеристике фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) 7/ф(сь»,г) (см. гл. 6). При передаче крупных деталей апертурный корректор должен иметь коэффициент передачи Z<aK = 1 (для возможности обхода), а его АЧХ т/ак(си) = 1/т/ф(сь>) при линейной фазочастотной характеристике.
Апертурная характеристика ФЭП в общем случае может быть аппроксимирована функцией
у. — /с... - е-(^/^о)2 -_____________]:____________
/с кд	1 4-(21 (cj/cJq)2 + а2(^/^о)4 + • • • ’
где /скд — размах тока сигнала от крупной детали, размер которой значительно превышает размеры апертуры; ссо — частота, на которой размах тока сигнала 1С от деталей меньших размеров уменьшается в е раз; ai, а2,-« — постоянные коэффициенты.
Тогда
/ ^ \ 2	/ ш \4
2/ак(^) — -— 1 + ^1 I --- ) + ^2 I - ) +•••
Уф(и)	\<^0/	\^0/
Апертурные искажения корректируются с помощью схем дифференциальной и разностной коррекций. Принцип действия схем дифференциальной коррекции (рис. 15.15) основан на алгебраическом
390
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.15. Дифференциальный апертурный корректор:
а — структурная схема; 6— принципиальная схема формирования сигнала второй производной; s — переходные характеристики
сложении в определенных пропорциях входного сигнала ивх(ш) с сигналами его четных производных (для симметрии ПХ):
^вых(^) = ^вх(^) + ^1^2(<^2) + b2U4^4) + • • • + &n^2n(^2n),
где ивых(ш), гдвх(ц?), u2(w2), ^(о;4),... — нормированные напряжения в различных точках корректора; &i,	— весовые коэффи-
циенты; п = 1,2,3,...
Сигналы четных производных формируются обычно двухзвенными дифференцирующими цепочками с линейной фазочастотной характеристикой, например CpLn (рис. 15.15,6), так как напряжение на выходе этих цепочек пропорционально квадрату частоты: «2(^2) = (w/Wq).
В сумматорах Si, S2, (рис. 15.15,а) входной сигнал алгебраически складывается с сигналами четных производных, которые формируются дифференцирующими цепочками D2, D4, ..., D2n. Фазовые сдвиги, возникающие при формировании корректирующих сигналов, компенсируются с помощью линий задержки ЛЗ. На практике часто используют сигнал второй и (или) четвертой производной.
На рис. 15.15,в приведены переходные характеристики до и после алгебраического сложения входного сигнала с сигналом второй производной 1цг12(со2). Из рисунка следует, что с помощью подобной операции (при малых фазочастотных искажениях) может быть получена симметричная переходная характеристика с существенно
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 391
меньшей длительностью фронта по сравнению с исходной.
Недостатком дифференциальной коррекции является возможность ее использования только в горизонтальном направлении. Кроме того, на переходной характеристике возникают выбросы (на ТВ изображении — пластика), но главное, после апертурной коррекции увеличивается зашумленность ТВ сигнала за счет «добавления» флуктуационных помех из каналов четных производных.
Разностная апертурная коррекци.. основ, на хи. вычитании из входного сигнала «информации» о соседних элементах изображения. Она реализуется на нерекурсивных гребенчатых фильтрах с линейными фазочастотными характеристиками (см. § 15.4).
При коммутации потенциального рельефа мишени передающей трубки с помощью электронного луча с относительно большой апертурой (превышающей размеры одного элемента) сигнал на выходе трубки пропорционален яркости нескольких соседних элементов. Относительное содержание «ложной информации» в сигнале, очевидно, зависит от размеров апертуры и закона распределения плотности электронов коммутирующего луча.
Для формирования сигнала, пропорционального яркости только одного i-го элемента изображения, необходимо из суммарного сигнала вычесть «взвешенные» сигналы, пропорциональные яркостям предыдущих i — п и последующих i + п соседних элементов (по направлению соответствующей развертки), где п = 1,2,...,q — порядковые номера соседних элементов. Однако этих сигналов в «чистом» виде также не существует. В первом приближении вместо них можно использовать сигналы, которые формируются во время прохождения луча через соседние элементы, т.е. другие соседние мгновенные значения того же сигнала.
В общем случае число q и относительные величины a>i±n составляющих Uj±n полного корректирующего сигнала гдКОр, а также их относительное время задержки и (или) опережения ±7o(i±n) зависят от диаметра апертуры и закона распределения плотности электронов коммутирующего луча (или зарядов в матрице ПЗС):
я
*Дкор —	&i:izn'U'i:bzn)	(15.2/)
?г=1
где Ui} Ui±n — мгновенные значения сигналов во время коммутаций ?-го и (г ± ?г)-го элементов изображения.
Для получения симметричной переходной характеристики необходимо, чтобы коэффициенты
ai._n = ai+n,	(15.28)
а. для нормирования коэффициента передачи устройства Z<aK = 1 на
392
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.16. Форма сигнала от черно-белых полосок различной ширины в разностном апертурном корректоре
средних частотах полосы пропускания
Q
di — di±n.	(15.29)
П=1
Сигнал на выходе корректора иВых = Щ + ^кор^кор-
В простейшем случае при апертурной коррекции в горизонтальном направлении и акор = а; — 1, a>i±n — 0,5 (рис. 15.16) корректирующий сигнал согласно (15.27) - (15.29) может быть образован из трех составляющих: ггкор — щ — 0y5ui-k — 0,5ui+k, а сигнал на выходе корректора
^вых — Н- ^кор — 2?z>^	0,51t^— к 0y<5Ui+k,	(15.30)
где Ui-k, Ui+k — мгновенные значения сигнала во время коммутации к-го предыдущего и к-го последующего элементов изображения, например отстоящих по строке от г-го элемента на расстоянии ±0,5</эф (с/эф — эффективный диаметр апертуры с эквивалентной равномерной плотностью распределения электронов).
Так как при реализации корректора можно использовать только задержанные сигналы, то v-i+k — представляет собой мгновенное значение сигнала, непосредственно поступающего в данный момент на вход корректора; щ — мгновенное значение сигнала, задержанного на время Тщ « 0,5тф (тф — длительность фронта ПХ свет--сигнала на входе корректора); щ_к — мгновенное значение сиг-
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 393
нала, задержанного на время	& 2TOi = Тф (см. рис. 15.16).
Для совмещения во времени основного и корректирующих сигналов используются линии задержки. Из рисунка видно, что на выходе корректора увеличивается размах сигнала от одиночных мелких деталей и уменьшается Тф, но на ПХ появляются выбросы. Глубина апертурной коррекции может регулироваться с помощью изменения параметров <аКОр и di (a>i±n). Ограничениями являются увеличение выбросов ПХ и уменьшение отношения сигнал/помеха из-за того, что при алгебраическом сложении ТВ сигналов флуктуационные помехи всегда увеличиваются.
Достоинством данного метода является возможность коррекции апертурных искажений как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Однако в вертикальном направлении из-за дискретного характера передачи изображения выбор времени задержки То ограничен длительностями, кратными периодам передачи строк Тостр = = 64 мкс и кадров Tqk = 40 мс. Очевидно, более простая реализация корректора получается при использовании аналоговых сигналов соседних строк одного поля, так как для их фазирования могут применяться линии задержки на строку. Из-за чересстрочного характера разложения изображения задержка сигнала на То; = Тостр = 64 мкс означает использование корректирующего сигнала от соседней строки поля, т.е. от каждой второй строки кадра (п = 2). При этом для коррекции в вертикальном направлении сигнал Uj должен быть задержан на То; = 64 мкс, а — на 2Т0; = 128 мкс относительно сигнала Uj+2 (где j — номер строки кадра).
При одинаковой четкости изображения по вертикали и горизонтали сигнал горизонтальной коррекции должен содержать составляющую задержанную на То; — 2t3 = (0,125... 0,170) мкс (где i — номер элемента строки; t3 — номинальная длительность сигнала от одного элемента изображения), и составляющую ^г-2, задержанную на 2Toi — 4£э относительно сигнала Ui+2-
Сигнал на выходе подобного корректора (рис. 15.17) в частном случае при ai±n = 0,5 формируется следующим образом:
^вых — ^j/i 4~ ^кор^кор»	(15.31)
где Uj/i — это tzBX = U(;+2)/(i+2)> задержанное на время То; и Тог, 'М'кор — ^в/г 4“ ^;/г> ^в/г — j/i ~ 0Ф^(; —2)/г 0Ф^(;+2)/г? ^j/r = = Uj/i - 0,5Uj^i^2) - 0,5t4j/(i+2).
Сигналы вертикальной u3/i и горизонтальной ицГ коррекций, а также суммарный корректирующий сигнал ггкор формируются в соответствующих сумматорах SB, Хг и ХКОр? а выходной сигнал — в сумматоре SBbIX; ОЗУВ задерживает сигнал вертикальной коррекции ^в/(;+2) на время, равное длительности двух элементов изображения, и тем самым фазирует сигналы вертикальной uB/i и горизонтальной коррекций относительно г-го элемента ;-й строки (рис. 15.17,в).
394
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
(j— 2)-я строка
J-я строка
^0-2)/(’ + 2)
u0-2)/t ________
0,125 мкс
(;4-2)-я строка
СГЙ w(j+2)/(i+2)
U0 + 2)/i
<b/(t-2) _«•.... ,<
о t
б)
0,125 мкс 64 мкс
0,125 мкс0,125 мкс
64 мкс
Рис. 15.17. Двумерный апертурный корректор:
а — упрощенная структурная схема; 6— осциллограмма ТВ сигнала на входе корректора; в — элементы изображения (заштрихованные окружности), «взвешенные» сигналы от которых участвуют в формировании мгновенных значений выходного сигнала (при чересстрочной развертке)
^Начало отсчета времени
Мгновенные значения телевизионного сигнала, обозначенные в соответствии с (15.31) и отмеченные на рис. 15.17,61 формируются во время прохождения центра апертуры по соответствующим элементам изображения (рис: 15.17,в); причем в формировании сигнала на выходе корректора в каждый данный момент времени в различных пропорциях участвуют только те мгновенные значения сигнала, которые образуются при расположении центра апертуры на заштрихованных элементах изображения.
Как следует из вышеизложенного, в разностных апертурных корректорах используются временные нерекурсивные фильтры второго порядка (см. рис. 15.10,6) с малыми фазочастотными искажениями. У подобных устройств форма АЧХ — периодическая функция с периодом, равным времени задержки сигналов в ОЗУ То = 2тг/ио. В отличие' ел фильтров, рассмотренных в § 15.4, в апертурных корректорах используются фильтры с отрицательными весовыми коэффициента-
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 395
Рис. 15.18. Зависимость коэффициента передачи от частоты (а) и переходная характеристика (6) нерекурсивных фильтров второго порядка, использующихся в двумерном апертурном корректоре
ми, вследствие чего у них экстремумы АЧХ меняются местами. В сумматоре S производится алгебраическое сложение сигналов: на первый и третий входы они поступают в отрицательной полярности и умножаются на весовой коэффициент а (одинаковый для обоих входов — для симметрии переходной характеристики), а на второй — в положительной полярности с весовым коэффициентом 1 + 2а (для нормирования коэффициента передачи устройства /<ак = 1). Коэффициент передачи подобных устройств определяется с помощью ^-преобразования (15.26):
Л”(щ») = 11 + 2а — 2а cos cjTq | = 1 + 4asin2ca(7o/2);
•Kmin ~ Kinax ~ (1 4 4a)
на частотах Axjo и {к + О,5)щ»о соответственно (рис. 15.18,а).
Переходная характеристика фильтра (рис. 15.18,6)
{—а при п = 0;
1 + а при п = 1;
1 при п 2.
Анализ этих характеристик позволяет сделать следующие выводы. Эффект повышения резкости воспроизведения вертикальных границ деталей создается в горизонтальном корректоре при Тщ = — 0,125.. .0,170 мкс за счет появления выбросов и уменьшения длительности фронта (см. рис. 15.1G и 15.18) переходной характеристики /г(п7о), форма которой в реальных системах «сглажена» апертурными искажениями в ФЭП и линейными искажениями в видеоусили-тельном тракте. Амплитудно-частотная характеристика корректора неравномерная (рис. 15.18,а): максимум коэффициента передачи Как max = 2...3 (при а = ai±n = 0,25.. .0,5) обычно располагается на частоте О,5иой т.е. на 0,5/Ьг = 0,5/Тф- = 3...4 МГц. Если бы максимум располагался на частоте /в ~ 6,0 МГц (время задержки То; равно длительности одного элемента изображения /э « 0,0625 мкс), то в этом случае четкость по горизонтали превышала бы четкость в вертикальном направлении.
396
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Однако в горизонтальном апертурном корректоре вместе с высокочастотными составляющими ТВ сигнала увеличиваются и флуктуационные помехи. Отношение сигнал/помеха для белого шума при а-кор = 1 уменьшится в корректоре на величину, равную
„1.1 Тт	/	^ак(Ш)С^
Qr = ^ =	« Jo	« У(1 + 2а)2+2а2.
^вых ^швх	А У d(jJ
При а = 0,25...0,50: Qr = 1,54...2,12 (3,8. ..6,6 дБ) без учета «веса» помех.
В вертикальном корректоре при То; — 64 мкс резкость воспроизведения горизонтальных границ деталей повышается за счет специфической формы «пространственной» переходной характеристики fo(nT’o), т.е. из-за уменьшения сигнала (яркости фона) на предыдущей строке — перед деталью, и увеличения сигнала (яркости на границе детали) на следующей строке (в частности, при а = 0,25.. .0,50 на 25...50 %) — «вертикальная пластика».
Из рис. 15.18,а следует, что в этом корректоре — гребенчатом фильтре с частотой следования минимумов /о; = 1/ТЬ> = 15625 Гц — размах составляющих ТВ сигнала на частотах ka>oj = ксостр в пределах полосы пропускания сев не меняется, так как /Гактш = 1-Однако уровень флуктуационных помех значительно увеличивается из-за повышения JCaK(cj) в пустых промежутках спектра ТВ сигнала — в области максимумов на частотах (А; + 0,5)ссстр. Уменьшение отношения сигнал/помеха в вертикальном корректоре для белого шума на входе при акор = 1 ориентировочно как в горизонтальном — <Эв и У(1+2а)2 + 2а2, но с другим характером спектрального распределения мощности помех из-за отличия в формах АЧХ устройств.
Подобное уменьшение отношения сигнал/помеха часто неприемлемо из-за ухудшения качества изображения. Поэтому в апертурных корректорах для повышения отношения сигнал/помеха и уменьшения выбросов используют ряд мероприятий. Наиболее существенными из них являются: нелинейная обработка биполярного корректирующего сигнала иКор (см. рис. 15.16) за счет двустороннего ограничения его среднего уровня (т.е. в основном шумов в области ±2...5 % его размаха), а также применение шумоподавителей и адаптивных корректоров.
В качестве шумоподавителей используются также нерекурсивные гребенчатые фильтры второго порядка, но с положительными весовыми коэффициентами (см. рис. 15.10,5), т.е. с измененными положениями экстремумов АЧХ. Например, в горизонтальном корректоре (вместо первого ОЗУ на Tqj вертикального корректора, см. рис. 15.17) входной сигнал поступает через шумоподавитель (ШП)
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 397
— гребенчатый фильтр с временем задержки Tqj и весовыми коэффициентами а = 0,25 и (1 — 2а) — 0,5, а в вертикальном корректоре вместо фазирующего ОЗУВ (см. рис. 15.17) использую!' подобный же шумоподавитель, но с Тщ = 1...2Z3, минимум коэффициента передачи которого ifmin = 0 находится на частоте 1/ТЬг = 3...6 МГц. По существу он представляет собой ФНЧ с линейной фазочастотной характеристикой. Его недостаток — фильтрация не только шумов, но и составляющих ТВ сигнала.
Наиболее эффективной из перечисленных мер является применение адаптивных апертурных корректоров. В них степень коррекции в вертикальном и горизонтальном направлениях меняется индивидуально с помощью aKOpij = var в зависимости от уровня шумов, уровня сигнала изображения (т.е. яркости детали), ее цветности и других параметров [69]. Алгоритмы работы блока анализа и формирования сигналов управления значениями параметров аКОрм подобны алгоритмам работы «детектора движения» шумоподавителей на гребенчатых фильтрах и, несмотря на их сложность, оправданы при комплексном использовании этих устройств.
Рассмотренные виды апертурных корректоров могут работать с аналоговыми или цифровыми сигналами яркости и цветности из-за относительно малых значений То;,у и возможности использования для ОЗУ искусственных линий задержки.
Дальнейшее развитие схем апертурных корректоров базируется на применении цифровых устройств, где корректирующий сигнал формируется из цифровых сигналов от соседних строк кадра и от соседних элементов изображения на основе использования ОЗУ на кадр. Один из упрощенных вариантов подобного устройства содержит ОЗУ на поле и дополнительный ОЗУ на строку [69]. В подобных устройствах, помимо более эффективной апертурной коррекции за счет формирования корректирующих сигналов от соседних элементов по горизонтали и вертикали, удается использовать более эффективные шумоподавители с памятью на кадр, а также учесть статическую и динамическую неравномерность четкости по полю изображения (например, в центре и в каждом из углов кадра).
В общем случае целесообразность и эффективность применения апертурной коррекции в каждом конкретном случае должна оцениваться по интегральному критерию качества изображения, величина которого определяется частными параметрами, и в первую очередь четкостью, отношением сигнал/помеха, значениями выбросов и т.д. Апертурные корректоры целесообразно использовать не только в тракте ТЦ, по и в ТВ приемниках для уменьшения протяженности цветовых переходов.
15.6. Коррекция полутоновых искажений
Полутоновые искажения изображения являются следствием нелинейных искажений сигнала изображения и различных условий на
398
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
блюдения передаваемого и воспроизводимого изображений (оригинала и репродукции).
Нелинейные искажения ТВ сигнала возникают в фотоэлектрических преобразователях и в каскадах видеоусилительного тракта из-за нелинейности их световых и амплитудных характеристик. В черно-белых ТВ системах эти искажения приводят к неправильному воспроизведению градаций яркости (полутонов) передаваемого изображения, а в цветных — и к искажениям цветности.
Коррекция нелинейных искажений по существу сводится к получению требуемой формы характеристики передачи уровней яркости телевизионной системы Тиз = f (Д>), где Lo, Тиз — яркости оригинала и изображения на экране кинескопа соответственно.
Качество ТВ изображения зависит от числа воспроизводимых градаций (пороговых перепадов яркости, различаемых глазом) и от того, как эти градации распределены по динамическому диапазону изменения яркости репродукции, особенно в отдельных, наиболее важных участках этого диапазона. Динамический диапазон изменения яркости определяется, как известно, максимальным контрастом JTmax = Tmax/Lmin, Где	Z/min - МаКСИМЯЛЬНая И МИНИ-
мальная яркости. Номинальное число градаций, различаемых на изображении, зависит от условий его наблюдения, и в частности от максимальной яркости Дпах, яркости фона (яркости адаптации) Тф, контраста К. угловых размеров деталей /Зд и фона изображения Дф. Причем число градаций уменьшается при уменьшении динамического диапазона и угловых размеров деталей.
Яркость объектов Lo может достигать нескольких тысяч кандел на квадратный метр, а контраст 1000 и выше. В то же время современные кинескопы с алюминированными экранами и дымчатым стеклом воспроизводят изображения с максимальной яркостью Ьизтах — 100...300 кд/м2, максимальным контрастом 100...200, а контрастом в мелких деталях 10...30. Из-за указанных причин динамический диапазон изменения яркости репродукции £из в большинстве случаев меньше диапазона изменения яркости оригинала Lo. Поэтому при воспроизведении изображений число градаций, различаемых глазом на объекте Ао, уменьшается и число воспроизводимых градаций изображения на экране кинескопа всегда Аиз < Ло. Следовательно, качество изображения может быть существенно увеличено только за счет улучшения параметров фотоэлектрических преобразователей сигнал-свет.
Однако в ТВ, так же как в кино и фотоизображениях, даже нри ограниченном числе воспроизводимых градаций имеется возможность несколько улучшить качество изображения. Для этого необходимо перераспределить Аиз по динамическому диапазону изменения яркости репродукции Тиз так, чтобы увеличить число воспроизводимых градаций в сюжетно важном участке диапазона (за счет уменьшения числа градаций в остальных участках).
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 399
Рис. 15.19. К определению формы характеристики передачи уровней яркости ТВ системы
изменения яркости передаваемого объекта
Перераспределить градации можно изменением формы характеристики передачи уровней яркости LM3 = f(Lo). Требуемая форма этой характеристики в общем случае (в том числе и для создания так называемой «градационной лупы» для улучшения опознавания объектов в определенной ограниченной области динамического диапазона) может быть определена графическим методом [8]. Для этого в квадранте I (рис. 15.19) строится функция Ао = характеризующая зависимость номинального числа градаций Ао, различаемых на объекте при определенных условиях его наблюдения, от яркости Lo. Эта фуНКЦИЯ НаХОДИТСЯ ДЛЯ Заданных Значений Lomin, Дтах> Тфо, /ЗфО, /3До по соответствующей экспериментальной кривой изменения контрастной чувствительности глаза (AL/L)nop = где (AL/L)nop — минимальное (пороговое) относительное изменение яркости, замечаемое глазом и являющееся мерой визуального ощущения яркости — одной градацией (см. гл. 2). Вначале по кривой определяется значение (AL/Z/)nOpi при Lomin (или Lomax) и рассчитывается ALnopl ~ Lomin(AL/L)nopl; затем для яркости (3Lornin 4- AZ/nopi) определяются (AL/L)nop2 и ALnoP2 и т.д. Число т интервалов яркости AZ/nopi, ALnop2...., AZ/nopm для каждого значения яркости Lo и является мерой ее визуального ощущения, т.е. т = Ао.
В квадранте III строится аналогичная зависимость Аиз = /(£из) для определенных условий наблюдения телевизионного изображения иа экране приемника. На кривых квадрантов I и III отмечаются диа
400
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
пазоны изменения яркости оригинала и репродукции (максимальные и минимальные яркости). В квадранте II находится положение точек а и б на характеристике Аиз = /(Ао). Воспроизводимые градации Аиз будут равномерно распределены по диапазону изменения Тиз, если характеристика Аиз = /(Ао) линейна (кривая I), т.е. если градиент воспроизведения полутонов G = ДАИЗ/ДАО = const. При этом из-за указанных причин в большинстве случаев G < 1, т.е. несколько световых градаций объекта воспроизводится как одна градация репродукции.
Воспроизведение сюжетно важных полутонов в некотором участке динамического диапазона улучшается, если увеличить значение G для этого участка. Однако при этом в остальных областях диапазона число воспроизводимых градаций приходится уменьшить. Увеличение G ограничивается также флуктуационными помехами, маскирующими перепады яркости. В качестве примера в квадранте II (см. рис. 15.19) показаны характеристики, при которых улучшено воспроизведение полутонов в области малых освещенностей (кривая 2) и в области больших освещенностей (кривая 5). Требуемая форма характеристики передачи уровней яркости определится в квадранте IV как след вершины прямоугольника, три остальные вершины которого смещаются по кривым квадрантов I, II и III.
В вещательных ТВ системах для большинства изображений сюжетно важными являются полутона крупных деталей в области больших освещенностей. Поэтому форма характеристики Тиз = /(То) этих систем должна быть подобна кривой 3 (квадрант IV). В частном случае эта характеристика может быть аппроксимирована степенной функцией Тиз = где ус — показатель степени гамма. Экспериментально установлено, что наилучшее качество изображения для вещательных систем при ус « 1,2...1,3. Как видно из рис. 15.19, при 7с > 1 (кривая 3) крутизна характеристики передачи уровней яркости максимальна в области больших освещенностей. Поэтому полутона наиболее освещенных деталей подчеркиваются и их распознаваемость на изображении улучшается.
Полутоновые искажения изображения корректируются изменением величины и характера нелинейных искажений телевизионного сигнала с помощью специального гамма-корректора. Форма амплитудной характеристики корректора ПВыХ = /(Пвх) в общем случае может быть определена по световым характеристикам ФЭП свет-сигнал Пвх = /(Lo) и приемной трубки Тиз = /(ПВых)? а также по характеристике передачи уровней яркости ТВ системы £из = графическим методом с помощью аналогичных построений в четы-рехквадраптной системе координат (рис. 15.20).
В частном случае, если указанные характеристики аппроксимированы ('тененными функциями
/ТИ11пах — (То/То тах)^с, Пвх/С/вхтах — (То/Lo max)z •
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 401
Рис. 15.20. К определению формы амплитудной характеристики гамма-корректора полутоновых искажений
^из/^из max — (t/вых/^вых тах)^
и известны значения показателей степени этих функций 7С, 7„, 7пр, то коэффициент нормированной амплитудной характеристики корректора иъых/ивыхтлх - (Пвх/ПВХП1ах)Тк может быть определен из соотношения
^из/Дютах — (^вых/^выхтах)^ПР — (^вх/^вхтах)^ К^ПР — = (^о/Ьотах)ПТкТпр = (Д)/£0тах)7с,
где 7с = 7п7к7пР; 7с, 7п, 7пР, 7к — показатели степени функций, аппроксимирующих характеристику передачи уровней яркости, световые характеристики ФЭП свет-сигнал и сигнал-свет, а также амплитудную характеристику корректора соответственно.
Тогда показатель степени амплитудной характеристики корректора определится как
7к = 7с/7п7пр-	(15.32)
Экспериментально установлено, что для видиконов ус « 0,6...0,7, плюмбиконов и ПЗС уп « 1,0, черно-белого и цветного кинескопов 7пР « 2,8. При 7с = 1,2...1,3, 7П = 1,0, 7„р = 2,8 показатель степени характеристики корректора ус = 0.4...0,5.
Амплитудная характеристика нормально функционирующего видеоусилителыюго тракта линейна и поэтому, как правило, не учитывается при расчетах корректора.
В гамма-корректорах полутоновых искажений обычно используются схемы с нелинейной нагрузкой в коллекторной цепи и с
96
402
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.21. Упрощенные принципиальные схемы гамма-корректоров: а — с нелинейной нагрузкой в коллекторной цепи; 6— с амплитудно-зависимым делителем в двухканальном корректоре с 7K~var
амплитудно-зависимым делителем сигнала (рис. 15.21). Во всех случаях на входе корректора, необходимо фиксировать уровень черного, чтобы этот уровень строго соответствовал определенной — «начальной» точке нелинейной амплитудной характеристики корректора. При отсутствии фиксации уровни сигналов от одинаково освещенных деталей различных изображений будут занимать разное положения на его амплитудной характеристике (в зависимости от изменений средней яркости оригиналов) и яркости деталей будут искажены.
Максимальный размах входного сигнала должен быть 1/вхтах = = const для определенного расположения его относительно рабочей части амплитудной характеристики гамма-корректора, а максимальный коэффициент передачи корректора Ктлх = (Увыхтах/^вхтпах = 1 для возможности обхода устройства.
В корректоре с нелинейной нагрузкой в коллекторной цепи (рис. 15.21,а) коэффициент передачи меняется при изменении сопротивления нагрузки каскада. В качестве нелинейной нагрузки используются диоды, отпирающиеся поочередно по мере увеличения входного сигнала (?к < 1). Корректоры с амплитудно-зависимым делителем, строятся по таком}' же принципу. Одно из плеч делителя (в частности, нижнее R2 — рис. 15.21,6) шунтируется поочередно отпирающимися диодами, благодаря чему и реализуется нелинейная форма амплитудной характеристики корректора (ук < 1).
Для универсальности гамма-корректоров, т.е. для возможности работы с датчиками ТВ сигнала с разными уп, а. также для индивидуальной подстройки корректоров в каналах основных цветов и
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 403
Рис. 15.22. Структурная схема цифрового гамма-корректора (а); формирование амплитудной характеристики корректора (6)
унификации тем самым световых характеристик трехтрубочных передающих камер ЦТ, корректоры полутоновых искажений часто выполняются с переменным значением коэффициента гамма (например, ук = 0,4... 1,0). Схема подобного корректора с плавной регулировкой гамма приведена на рис. 15.21,#. Изменение значения гамма достигается за счет сложения в разных пропорциях в сумматоре S сигналов бш'вых + (1 ~ Фвых — ^вых (где а = 0...1), прошедших соответственно через каналы с линейной (у — 1) и нелинейной (у < 1) амплитудными характеристиками. Для нормирования выходного сигнала необходимо, чтобы Увх шах = Пихтах ~ ^выхтах ~ ^ыхтлх-
В частных случаях, особенно при натурных передачах, для улучшения качества воспроизведения малоконтрастпых деталей в области черного или объектов с повышенным контрастом приходится с помощью специальных дополнительных корректоров изменять номинальную форму амплитудной характеристики тракта [11] — увеличивать крутизну характеристики в области черного (растяжка черного) или уменьшать крутизну в области белого (компрессия белого).
Цифровые гамма-корректоры реализуются на базе ПЗУ, в котором для каждого уровня входного сигнала (определенной кодовой комбинации) хранится информация о соответствующем уровне выходного сигнала (или об алгебраическом приращении входного сигнала) — другая кодовая комбинация, соответствующая требуемой форме амплитудной характеристики корректора. Меньший объем памяти необходим в цифровом корректоре с компараторами (рис. 15.22). Число последних (так же как и число диодных ячеек в аналоговых устройствах — рис. 15.21) определяет число отрезков кривой, т.е. точность кусочно-линейной аппроксимации амплитудной характеристики корректора. В ПЗУ хранится лишь информация о коэффициентах усиления входного сигнала ивх и аддитивных констант Ci. Выходное напряжение формируется в сумматоре В как ивых = /<гпвх -г Q, (рис. 15.22,6).
С помощью корректора полутоновых искажений можно улучшить воспроизведение полутонов деталей определенных размеров, яркость которых заключена в сюжетно важном участке динамического диапазона, и повысить тем самым качество телевизионного изображения.
26*
404
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Глава 16
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СТАНДАРТОВ
16.1. Основные положения и общие принципы преобразования стандартов
Обмен телевизионными программами имеет важное значение в развитии современного общества. Благодаря этому обмену открываются широкие перспективы показа важных политических и культурных событий, происходящих в различных местах земного шара. Это способствует лучшему познанию людьми друг друга и культурному их обогащению. Этим широко и ежедневно пользуются при передаче программ новостей, общественно-политических передач, всякого рода «телевизионных мостов» и др. Поэтому трудно переоценить значение международного обмена телевизионной информацией.
При организации международного обмена телевизионными программами кроме известных сложностей, связанных с передачей широкополосных сигналов на большие расстояния, возникают трудности, обусловленные особенностями структуры телевизионного сигнала и методами передачи цветовой поднесущей в системе цветного телевидения. Одним из необходимых условий воспроизведения переданного ТВ изображения является идентичность параметров разложения (число строк и частота полей) передающей и приемной сторон. При несоответствии этих параметров необходимо на приемной стороне сформировать ТВ сигнал с новыми параметрами разложения в соответствии с действующим на данной территории стандартом.
Стандарт разложения — это процесс дискретизации телевизионного сигнала в пространстве и во времени, это число строк в кадре, структура расположения строк и число кадров в секунду. Преобразование видеосигналов с различными стандартами разложения будем называть преобразованием стандартов. Задача преобразования состоит в вычислении промежуточных значений отсчетов выходного стандарта, исходя из имеющихся значений отсчетов входного стандарта (интерполяция).
Проблема преобразования стандартов возникла в 50-х годах — в начале широкого развития телевизионного вещания, а необходимость в преобразовании — когда телевизионные программы начали пересекать государственные границы. В то время в Европе действовали три стандарта развертки изображения: 405/50 (Великобрита-пияя). 819/50 (Франция, одна станция) и 625/50 (другие европейские страны). В рассматриваемом случае для обмена программами
ГЛАВА 16. Преобразователи телевизионных стандартов
405
необходимо преобразовать только число строк. Эта проблема встала еще острее, когда появилась возможность передачи ТВ сигналов на большие расстояния, с одного континента па другие, с помощью искусственных спутников Земли (ИСЗ): в этом случае необходимо преобразовывать и частоту кадров. На американском континенте и в Японии при 525 строках разложения частота полей составляет 60 Гц. Следовательно, в этом случае необходимо преобразовывать и частоту полей, и число строк.
Исторически первоначальным решением этой проблемы было прямое оптико-электронное преобразование, основанное на считывании с помощью телевизионной камеры, параметры разложения которой соответствовали стандарту приемной стороны, с экрана видео-контрольного устройства с параметрами разложения, соответствующими передающей стороне. Следовательно, преобразование стандартов сводилось к записи изображения в одном стандарте и в считывании его в другом.
Такие преобразователи назывались оптически связанной парой (ОСП). В качестве элементов памяти в них использовались накопительные свойства мишени передающих трубок и инерционность люминофоров кинескопов. Преобразование сигналов с помощью ОСП не могло обеспечить высокого качества изображения, так как использование дополнительных передающей, приемной трубок и оптики приводило к понижению четкости изображения, возникновению новых геометрических искажений. При преобразовании цветных изображений трудности усугублялись, так как возникали существенные искажения цветопередачи.
В настоящее время в мире действуют два стандарта развертки изображения. На американском континенте, в Японии, Корее, Тайване и др. ТВ передачи ведутся с частотой 60 полей в секунду при 525 строках разложения. На остальных континентах действует стандарт разложения с частотой 50 полей в секунду при 626 строках.
В мире в настоящее время действуют три системы цветного телевидения: NTSC, PAL, SECAM, которые отличаются методами передачи цветовых сигналов. При обмене программами между государствами в пределах одного континента, где действует один стандарт разложения, но различные системы цветного телевидения, процесс преобразования будет заключаться только в изменении способа кодирования сигналов цветности (транскодирование). Когда же цветные программы принимаются с американского континента или из Японии, процесс преобразования включает не только транскодирование, ио и изменение параметров разложения — числа строк и кадров.
На смену преобразователям с ОСП пришли электронные системы, в которых в качестве запоминающих устройств использовалась магнитная запись или электрические линии задержки. Основное отличие систем электронного преобразования стандартов от преобразователей с ОСП заключается в том, что все операции преобразова
406
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
ния производятся непосредственно с ТВ сигналом без формирования изображения на экране кинескопа. В этих системах использовался аналоговый сигнал. В электронных преобразователях стандарты с различным числом строк и кадров согласовывались с помощью накопления информации строки или кадра, с последующим считыванием этой информации с требуемой скоростью.
16.2. Цифровые преобразователи стандартов
В настоящее время в центрах преобразования стандартов используют электронные устройства, в которых все основные операции осуществляются на основе цифровых методов обработки телевизионных сигналов.
Цифровые преобразователи стандартов (ЦПС) аналогичны аналоговым преобразователям, однако цифровые имеют ряд существенных преимуществ. Аналоговые преобразователи неизбежно вносят в телевизионный сигнал искажения, связанные с дополнительными операциями в канале передачи, и ухудшают отношение сигнал/помеха, тогда как в ЦПС искажения и шумы могут быть сделаны малыми, так как они определяются параметрами цифровой системы и могут быть нормированы. Кроме того, при использовании ЦПС резко повышается стабильность работы и обеспечивается бесподстроечный режим, тогда как аналоговые преобразователи требуют тщательных регулировок и настроек в процессе эксплуатации [68].
Цифровые преобразователи должны выполнять три основные функции: 1) преобразование числа строк и полей с помощью цифровой обработки (для этого имеются АЦП, ЦАП и устройство памяти, интерполяторы строк и кадров); 2) декодирование принимаемого полного цветового ТВ сигнала на составляющие яркостную и цветоразностные (для этого используются три декодера — PAL, SECAM и NTSC); 3) кодирование яркостного и цветоразностных сигналов в требуемую систему цветного телевидения — NTSC, PAL, SECAM.
Преобразователь параметров сигнала в общем случае состоит из: АЦП, преобразующего ТВ сигнал входного стандарта (стандарт I) в цифровую форму; ЦПС, состоящего из цифровой памяти, интерполяторов строк и полей (движения) и устройств управления ими: ЦАП, преобразующего цифровой сигнал в аналоговый выходного стандарта (стандарт II). В табл. 16.1 приведены параметры системы цветного телевидения, которые подвергаются изменению при преобразованиях. Для уменьшения объемгь цифровой памяти ЦПС строятся с учетом обработки не полной телевизионной строки длительностью 64 мкс. а только активной ее части.
Все основные операции по преобразованию стандартов, по интерполяции строк и кадров, по коррекции сигналов осуществляются с помощью устройств с большой емкостью цифровой памяти, являющейся основным элементом ЦПС. Обычно в АЦП цветовой сигнал
ГЛАВА 16. Преобразователи телевизионных стандартов
407
Таблица 16.1
Параметр	Стандарт		Режим преобразования	
	525/60	625/50	625/50—525/60	525/60—625/50
Частота полей, Гц Число строк в кадре	60 525	50 625	Преобразование полей 5—^6	Преобразование полей 6 — 5
Активное число строк в поле Период строки, мкс	241,5 63,55	287,5 64	П реобразование строк 287—*244: 7—*6	Преобразование строк 240—<290; 5^6
Длительность активной части строки, мкс	52,6	52	54 (648 элементов)	54 (648 элементов)
Система цветного ТВ	NTSC	PAL, SECAM	PAL, SECAM, NTSC	NTSC, PAL, SECAM
Рис. 16.1. Искажение наклонных линий при преобразовании строк
Изображение
дискретизируется на утроенной частоте поднесущей при 25G уровнях квантования (8 бит на отсчет). В этом случае цифровой поток получается равным 106 Мбит/с, а период следования импульсов в потоке 9,4 нс. Отсюда нетрудно подсчитать, что временной интервал длительностью в одну ТВ строку содержит 6,8 кбит. Следовательно, устройство памяти для хранения кадра изображения должно обладать информационной емкостью до 4,26 Мбит [15]
Сопряжение частот строк и кадров при преобразовании стандартов разложения сводится к изъятию лишних или добавлению недостающих строк и кадров. Однако простое изъятие или обычное повторное воспроизведение некоторых строк через равные интервалы времени при формировании ТВ кадра приводит к специфическим искажениям, характеризуемым нарушением непрерывности сплошных наклонных линий (разрыв) в передаваемом изображении (рис. 16.1).
Рассмотрим возникновение этих искажений и их коррекцию. На рис. 16.2,а сплошными линиями показаны девять строк преобразуемого 625-строчного входного кадра. На этих строках представлено изображение наклонной линии совокупностью элементов Л; Б, В, Г,..., К, которые для наглядности на рис. 16.2,а показаны в виде импульсов. Штриховыми линиями изображены строки преобразованного 525-строчного выходного кадра. Из этого рисунка видно, что местоположение импульса А, находящегося на первой входной строке, совпадает с импульсом а, воспроизводимым на первой выходной строке. Однако ввиду того, что положение второй выходной строки но вертикали изменится относительно второй строки входного кадра
408
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 16.2. Искажение передачи наклонных линий, преобразование частоты строк и принцип интерполяции строк
Входная строка Выходная строка
(число строк меньше, расстояние между строками больше), импульс Б воспроизводится на выходной строке импульсом б. Аналогично будут воспроизведены все последующие импульсы. Поскольку каждая шестая строка исключается, импульс Е, существующий на шестой входной строке, не будет воспроизведен в выходном кадре. Точки Ж, И, К, лежащие на последующих строках выходного кадра, будут воспроизведены строками выходного кадра аналогично предыдущим шести строкам. Отсюда видно, что воспроизведенное выходным стандартом изображение имеет геометрические искажения в виде наклонной линии через каждые пять строк.
Геометрические искажения, возникающие в результате исключения или добавления части строк из кадра, могут быть значительно уменьшены, если сигнал изображения каждой строки кадра выходного стандарта будет содержать информацию предыдущей и последующей строк кадра входного стандарта. Этот процесс называется интерполяцией строк и осуществляется формированием суммарного сигнала от двух соседних строк. Новое положение импульса на выходной строке вычисляется как взвешенная сумма амплитуд импульсов от двух ближайших строк входного стандарта. Веса определяются расстояниями от интерполируемой строки выходного стандарта и двумя строками входного стандарта, между которыми лежит интерполируемая строка.
На рис. 16.2, б' показан тот же случай передачи изображения наклонной линии после интерполяции. В этом примере выходная строка. но совпадающая по вертикали с входной строкой, несет информацию необходимой амплитуды от двух соседних входных строк. Как и в предыдущем случае, импульс Л. лежащий на первой входной строке, совпадает с импульсом а на первой выходной строке. Однако выходная строка 2. лежащая между второй и третьей входными строка-
ГЛАВА 16. Преобразователи телевизионных стандартов
409
60—>-50
50—> 60
Поля I 16 6 мс	|
входного I	J
стандарта
(60) Г	г
бп-1 lttl uvli I
БП-2
БП-3
Поля выходного стандарта (50)
Поля входного стандарта (50)
БП-1
Рис. 16.3. Принцип преобразования частоты полей
ми, на которых показаны импульсы Б и В, воспроизводит импульсы бив соответственно. Амплитуда этих импульсов определяется расстояниями Бб и Вв (обратно пропорционально этим расстояниям). Аналогично будут воспроизводиться импульсы во всех последующих строках. В результате такого формирования выходного кадра значительно уменьшаются геометрические искажения, вызванные исключением или добавлением строк растра.
В техническом отношении наиболее сложным является преобразование частоты полей, а затраты па его реализацию составляют 70 % от общей стоимости преобразователя. Приходится использовать сложные алгоритмы обработки сигналов. К примеру, при изменении частоты полей с 60 на 50 Гц следует изымать каждый шестой кадр и вводить интерполяцию движения, которая сглаживает скачки и разрывы траектории движения объектов. Как было показано, из-за изменения числа строк, приводящего к излому наклонных линий, необходима межстрочная интерполяция.
Рассмотрим принцип действия преобразователя частоты полей в ЦПС. На рис. 16.3,а показаны графики, поясняющие работу преобразователя полей с частотами 50 в 60 полей в секунду. Для этого используются три блока памяти (БП), каждый емкостью на одно телевизионное поле. Эти блоки памяти управляются по определенному алгоритму. Сигналы входного стандарта в блоки памяти записываются последовательно: в первый блок БП-1 — первое поле, во второй БП-2 — второе поле, в третий БП-3 — третье поле, а далее снова — в первый блок памяти уже четвертое поле и т.д. Считывание производится также последовательно с каждого блока памяти со скоростью, соответствующей выходному стандарту. В данном случае необходимо за время передачи пяти полей входного стандарта воспроизвести шесть полей выходного стандарта. Для этого второе поле входно
410
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
го стандарта воспроизводится дважды: сначала формируется второе поле, а затем при повторном считывании — третье поле выходного стандарта. На рис. 16.3,а показаны распределения полей входного и выходного стандартов.
На рис. 16.3,5 приведены графики, поясняющие работу преобразователя полей с частотами 60 в 50 полей в секунду. Аналогично предыдущему используются три блока памяти, в которые записываются последовательно поля входного стандарта. Считывание производится с каждого блока памяти со скоростью, соответствующей выходному стандарту, для чего необходимо из 6 полей входного стандарта изъять одно поле. Практически это осуществляется пропуском третьего входного поля, записанного в блоке памяти БП-3. При преобразовании частоты 60 в 50 полей в секунду информация из БП-1 и БП-2 считывается, и на входе формируются первое и второе поля выходного стандарта, а третье поле получается из четвертого поля входного стандарта и т.д. Блок управления памятью осуществляет считывание сигналов с определенной скоростью, обеспечивал соответствующее сжатие или растяжение периода выходного поля.
В случае наиболее простого решения, заключающегося в исключении каждого шестого входного поля и в соответствующем продолжении предыдущих пяти полей, скорость передачи движения в изображении замедляется в 5-6 раз, и при этом возникнут ускоренное прерывистое движение, скачки с частотой 6 раз в секунду. Устранить эти недостатки позволяет способ, основанный на интерполяции движения.
Интерполяция полей позволяет сгладить «подергивания» движущихся изображений, поэтому этот вид коррекции называют иногда интерполяцией движений. В ЦПС интерполяция поля выходного стандарта производится взвешенным усреднением сигналов двух ближайших к нему полей входного стандарта, записанных в блоки памяти.
Интерполяция по оси времени существенно сложнее и вносит большие искажения даже при умеренных скоростях движения объектов в исходном изображении, приводящие к прерывистости (дерганию) движения на выходе преобразователя. Линейное суммирование изображений соседних кадров преимущественно понижает качество изображения движущихся объектов. Применительно к движущимся объектам взвешенная сумма значений яркости строк и полей на экране всегда выглядит как смазанное или многоконтурное изображение.
Принципиально более высокое качество обеспечивают преобразователи с компенсацией движения, которая заключается в смещении каждого энемечта. смежных полей по вертикали и горизонтали с величиной и направлением вектора. Вектор движения можно определить, если знать скорость и направление движения всех двигающихся объектов в кадре. Имея такую информацию, можно
ГЛАВА 16. Преобразователи телевизионных стандартов
411
Рис. 16.4. Структурная схема преобразователя NTSC-^PAL, SECAM 525/60-^625/50
точно вычислить положения объектов е любой момент времени между двумя полями. Таким образом, новое поле будет сформировано простым сдвигом изображений объектов в новое положение без дрожания и размытости.
В заключение рассмотрим укрупненную структурную схему цифрового преобразователя системы NTSC со стандартом разложения 525/60 в систему PAL или SECAM со стандартом разложения 625/50. Такой преобразователь используется при передаче сигналов цветного телевидения с американского континента в Европу. Сигнал цветного телевидения NTSC (рис. 16.4) со стандартом разложения 525/60 подается на АЦП, где преобразуется в цифровую форму с частотой дискретизации 10,7 МГц, соответствующей третьей гармонике поднесущей NTSC.
В АЦП аналоговый сигнал подвергается линейному кодированию на 256 уровней. Квантованные значения сигнала выражаются восьмиразрядным параллельным двоичным кодом. Сигнал после АЦП подается в течение длительности первого поля на запоминающее устройство ЗУ1, а в течение второго поля — в запоминающее устройство ЗУ2. Объем требуемой памяти каждого запоминающего устройства составляет 1,2 Мбит и обеспечивает хранение информации одного телевизионного поля. Управление блоками памяти и переключение их с режима записи на считывание осуществляются блоками управления БУх и БУ2- В дальнейшем сигнал поступает на два канала в устройства пространственной фильтрации сигнала УПФСх и УПФС2. В этих устройствах устраняется перемежение строк из-за использования чересстрочной развертки, разделяются сигналы яркости и цветности и демодулируется сигнал цветности для получения цветоразностных сигналов Е\ и E'q. Для устранения перемежения строк применяется интерполяция трех строк смежных полей. Сигналы яркости и цветности разделяются методами цифровой фильтрации восьмиразрядных кодовых слов, которые определяют теку
412
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
щие отсчеты сигнала. В зависимости от структуры применяемого алгоритма обработки сигнала и числа обрабатываемых отсчетов изображения определяется форма пространственных частотных характеристик. В дальнейшем в УВП1 и УВЩ три полученных цифровых сигнала объединяются в общий цифровой поток путем уплотнения их во времени.
Проблема преобразования телевизионных стандартов связана с характером обработки сигнала цветного изображения. Фаза цветовой поднесущей сигнала NTSC в каждой последующей телевизионной строке изменяется на 180°. Таким образом, межстрочная интерполяция, пригодная для яркостного сигнала, для сигнала цветовой поднесущей приводит к ошибкам. Поэтому для осуществления правильной интерполяции полного цветного сигнала NTSC применяются пространственные цифровые фильтры, с помощью которых цифровой сигнал цветного изображения раскладывается на отдельные цифровые сигналы Еу, Ej и Eq, которые мультиплексируются в единый последовательный цифровой сигнал. Таким образом, одному периоду цветовой поднесущей соответствуют пять упорядоченных кодовых слов (Y, I, Y, Q, 1).
Последующая обработка сигнала производится в двухканальном преобразователе полей И1 и интерполяторе движений, где преобразуются частоты полей 60 Гц в частоту нового стандарта 50 Гц. В интерполяторе И2 осуществляются преобразование строк и их интерполяция. На этом преобразование параметров разложения заканчивается, и на выходе И-2 получается цифровой сигнал, соответствующий стандарту разложения 625/50. В цифровых преобразователях стандартов разложения получение требуемого числа строк и кадров и их интерполяция осуществляются в соответствии с заданным алгоритмом, который определяет качество преобразованного изображения [71].
Уплотненный цифровой сигнал в блоке временного разделения БВР вновь преобразуется в три цифровых потока, соответствующих сигналам E'Y, Ej и Eq с теми же параметрами параллельного кода, что и перед временным уплотнением. Составляющие цифрового сигнала цветного телевидения получаются с помощью гребенчатых или полосовых фильтров. Неполное разделение сигналов яркости и цветности приводит к искажениям цветного изображения. Составляющие сигнала яркости, оставшиеся в сигнале цветности, будут преобразованы поднесущей частотой и проявятся на изображении в виде паразитной цветовой помехи. Поэтому при транскодировании предъявляются повышенные требования к системам разделения сигналов цветности и их преобразованию. В ЦАП сигналы E'R, E'j и Eq преобразуются в аналоговые, и все дальнейшие преобразования производя гея с аналоговым сигналом. В матрице М из сигналов Еу, E'f и Eq формируются сигналы основных цветов Er, Eg и Er. В кодирующем устройстве (КУ) преобразуются сигналы основных цветов в сигналы
ГЛАВА 16. Преобразователи телевизионных стандартов
413
систем SECAM и PAL. Аналогично (за небольшим исключением) осуществляется преобразование стандартов SECAM или PAL в NTSC.
Обычно цифровые преобразователи стандартов формируют также и ввод испытательных сигналов, коррекцию временных искажений и синхронизацию.
Процесс транскодирования сигналов цветного телевидения при одинаковых стандартах развертки сводится к следующим основным операциям: а) разделение полного ТВ сигнала преобразуемой системы цветного телевидения на составляющие сигналы — яркостный и цветности; б) изменение частоты поднесущей сигналов цветности; в) изменение метода модуляции сигналов цветности; г) сложение яркостного сигнала и сигналов цветности для получения полного сигнала преобразованной системы цветного телевидения.
С появлением ТВЧ возникли новые задачи у преобразователей стандартов. Это прежде всего понижение стандарта ТВЧ до уровня действующего, а также повышение уровня действующих — до ТВЧ. Таким образом, появились три разные группы преобразователей: понижающий (down-converter), повышающий (up-converter) и перекрестные кросс-преобразователи (cross-converter). Последний изменяет частоту строк, полей или то и другое одновременно.
Кроме этого, появились преобразователи формата кадра. Эта функция стала настолько важной, что выпускается аппаратура, преобразующая только формат кадра без преобразования строк и кадров. Такие устройства называются преобразователями формата кадров.
Глава 17
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРИЕМНИКИ
17.1.	Особенности передачи и приема телевизионных сигналов наземного вещания
Вид модуляции и ширина спектра радиосигналов 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
414
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
звукового сопровождения 0,25 МГц; разнос несущих частот звука и изображения 6,5 МГц (несущая частота изображения /ни меньше несущей частоты звука /нзв; номинальная ширина полосы частот радиоканала ТВ вещания 8 МГц (рис. 17.1,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 позволяет 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, следует оставить неподавленной небольшую часть спектра нижней боковой шириной 0,75 МГц (рис. 17.1,а). В этом случае крупные детали передаются без градационных искажений, а искажения в мелких деталях глаз не воспринимает, так как имеет характеристику ФНЧ в области высоких пространственных частот [72]. При этом несколько усложняется формирование АЧХ радиоканала изображения ТВ приемника. Она должна соответствовать кривой рис. 17.1,6', с кососимметричным склоном, так называемым склоном Найквиста [72], в частности, уровень несущей частоты изображения должен ослабляться на 6 дБ (в два раза), а составляющая 0,75 МГц нижней боковой — на 20 дБ (по сравнению с уровнем опорной частоты спектра 1,5 МГц верхней боковой). В этом случае после детектирования радиосигнала изображения суммарное номинальное напряжение, образующееся на нагрузке детектора от симметричных частот составляющих нижней и верхней боковых полос, на любой частоте спектра в пределах 0...6 МГц всегда будет равно единице (в относительных величинах). Это означает, что форма результирующей АЧХ тракта передачи радиосигнала изображения от модулятора передатчика до нагрузки детектора приемника (характеристика верности) равномерна в заданной полосе частот 6 МГц (рис. 17.1,в).
В связи с большой помехоустойчивостью звукового сопровождения, передаваемого методом широкополосной ЧМ, 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. 17.2). В большинстве стран принята негативная полярность модуляции, при которой максимальная амплитуда несущей частоты соответствует уровню сигнала синхронизации, а минимальная — уровню белого. В этом случае:
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
415
Рис. 17.1. Номинальные АЧХ: а — боковых полос ТВ радиопередатчика; 6— радиоканала изображения
ТВ приемника; в— результирующая тракта передачи радиосигнала изображения; г—УПЧИ приемника
U ‘
1,о 0,75
-0,15 0 -0,15
-0,75
-1,0
U, 1,0
Рис. 17.2. Негативная (а) и позитивная (6) полярности модуляции радиосигнала изображения
а)	передатчик излучает в среднем существенно меньшую мощность, так как по статистике в вещании преобладают светлые сцены и поэтому огибающая AM несущей изображения прижимается к временной оси (см. рис. 17.2,а и б):
б)	импульсные помехи чаще проявляются в виде темных точек и визуально менее заметны;
в)	повышается помехоустойчивость системы синхронизации из-за того, что при передаче сигнала синхронизации передатчик излучает максимальную (пиковую) мощность;
г)	облегчается построение АРУ приемников; в качестве опорного сигнала АРУ используется сигнал синхронизации разверток 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 непромодулиро-ванной несущей составляет 15 %, а для цветного вещания — 7 %.
Поляризация волн электромагнитного излучения. Со
416
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
гласно ГОСТ 7845-92 допускается использовать горизонтальную или вертикальную поляризацию волн электромагнитного излучения ТВ радиопередатчика. Преимущество отдается горизонтальной поляризации, так как в этом случае наблюдается несколько меньшее воздействие промышленных помех. Однако при наличии взаимных помех между радиопередатчиками использование вертикальной поляризации позволяет 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);
II диапазон 76...100 МГц (радиоканалы 3-5);
III диапазон 174...230 МГц (радиоканалы 6-12);
IV диапазон 470...582 МГц (радиоканалы 21-34);
V диапазон 582...790 МГц (радиоканалы 35-60).
В настоящее время освоен метровый диапазон (радиоканалы 1-12) и осваивается дециметровый. Выбор нижней границы I диапазона определяется тем, что для выделения полного цветового 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 УКВ 30...3 см (1...10 ГГц) используется для передачи ТВ сигналов только в радиорелейных и космических системах связи, а также в линиях связи ПТС и ТТП (см. гл. 14).
Зона обслуживания ТВ вещанием определяется границами зоны уверенного приема радиосигналов, в пределах которых сигнал не зависит от времени суток, года и других факторов. Эти границы фиксируются по медианному (среднестатистическому по времени и месту) значению напряженности поля излучения радиосигнала изображения [42].
Чтобы зоны уверенного приема радиосигналов изображения и звукового сопровождения были примерно одинаковы, номинальная мощность канала изображения выбирается в 10 раз больше мощности канала звукового сопровождения ТВ передатчика.
Эффективное значение напряженности поля, мкВ/м, в зоне уверенного приема может быть оценено по формуле Б.А. Введенского
2,18/ц/12\/ЛО
Е=——
где Л], Ii2~- высоты передающей и приемной антенн, м; г — расстояние между антеннами, км: Р — мощность радиопередатчика.
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
417
кВт; Л — длина волны его излучения, м; D — коэффициент усиления передающей антенны (для турникетной антенны 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:
т « 4,12(\АГ+
Поэтому увеличение мощности излучения передатчика позволяет повысить напряженность поля в зоне прямой видимости, но почти не расширяет зону обслуживания ТВ вещанием. Зону можно расширить с помощью радиорелейных, кабельных и космических линий связи (с ретрансляцией радиосигналов передающими станциями).
17.2.	Особенности структурных схем телевизионных приемников
Телевизионный приемник предназначен для воспроизведения изображения и звукового сопровождения нескольких вещательных программ. Эта задача решается путем приема, усиления и 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. 17.3. Принципы работы основных узлов радиовещательных и телевизионных приемников аналогичны. Характерные особенности последних связаны с относительно широким спектром радиосигнала изображения и его сложным составом.
Рис. 17.3. Структурная схема приемника черно-белого телевидения
27
418
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Телевизионная антенна А для приема радиосигналов определенных каналов должна иметь соответствующую полосу пропускания, а ее сопротивление (так же как и сопротивление входной цепи приемника) — 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.
Усилитель высокой частоты (УВЧ) предназначен для предварительного усиления радиосигналов, ее частотная характеристика равномерная в пределах ширины полосы частот канала, а за пределами полосы выбирается такой, чтобы обеспечивать избирательность приемника по зеркальному каналу, т.е. каналу, частота несущей которого совместно с частотой гетеродина образует в смесителе гармоники, равные промежуточной частоте. Шумовые параметры УВЧ во многом определяют чувствительность приемника, поэтому в УВЧ используют элементы с малым эквивалентным шумовым сопротивлением.
Смеситель (См) и гетеродин (Г) преобразуют несущие изображения уни и звукового сопровождения /нзв в соответствующие промежуточные частоты. Последние образуются как разность между частотой гетеродина fr и несущими частотами (согласно ГОСТ 7845-92 для современных ТВ приемников):
/пчи = fr~ = 38,0 МГц;	(17.1)
/пчзв1 =fr- = 31,5 Мгц.	(17.2)
Конструктивно УВЧ, См и Г объединены в один узел — селектор (переключатель) ТВ каналов (СК, ПТК). Для приема радиосигналов различных каналов колебательные контуры этого узла в различных диапазонах перестраиваются с помощью варикапов, которые позволяют осуществить электронный выбор программ и автоматическую подстройку частоты гетеродина (АПЧГ).
В усилителе промежуточной частоты канала изображения (УП-ЧИ) происходит основное усиление радиосигнала изображения, формируется частотная характеристика приемника (см. рис. 17.1,б,г) и обеспечивается тем самым избирательность по соседнему каналу. Система автоматической регулировки усиления (АРУ) 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 только во время обратного хода строчной развертки по фиксированным уровням видеосигнала. В УПЧИ несколько усиливается и радиосигнал звукового сопровождения. Уровень последнего на нагрузке амплитудного детек гора (АД) должен быть небольшим, так как этот сигнал является помехой для ТВ сигнала и может проявиться на экране в виде различных полос, следующих в такт с сигналом звукового сопро
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
419
вождения. Поэтому в последних моделях ТВ приемников радиосигнал звукового сопровождения практически полностью подавляется режекторным контуром в УПЧИ, а в канале звукового сопровождения организуется отдельный АДЗВ, включаемый до этой режекции.
Прием двух радиосигналов с помощью однократного 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 точно согласованы между собой и это сопряжение — 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, используют биения между промежуточными частотами изображения и звукового сопровождения. Эти биения возникают па нелинейном элементе — АД — втором преобразователе частоты радиосигнала звукового сопровождения, в котором в качестве сигнала второго гетеродина используется относительно большой сигнал промежуточной частоты изображения. Вторая промежуточная частота звука
/пчзв2 = /пчи ~ /пчзв1 = 38 - 31,5 — 0,5 МГц.	(17.3)
Эта частота не зависит от частоты гетеродина приемника, а определяется относительной стабильностью несущих изображения и звука (±500 Гц каждая согласно ГОСТ 7845-92), так как, учитывая (17,1) и (17,2),
/пЧзв2 — /нзв ~ /ни = 6,5 МГц.	(1^4)
Чтобы в процессе второго преобразования частоты даже кратковременно не пропадал сигнал звукового сопровождения, ГОСТ 7845-92 предусмотрено обязательное наличие немодулированного остатка несущей изображения с уровнем 15±2,0 % при передаче уровня белого (см. рис. 17.2,а), а с цветовой поднесущей 7±2,0 % максимального уровня радиосигнала.
С нагрузки АД полный ТВ сигнал поступает через видеоусилитель (ВУ) на модулятор кинескопа, а сигнал второй промежуточной частоты звука /пчзв2 — на усилитель промежуточной частоты звука (УПЧЗ). Так как сигнал «второго гетеродина» модулирован по амплитуде, сигнал звукового сопровождения на /пчзв2 необходимо сильно ограничить в амплитудном ограничителе (АО) для устранения паразитной амплитудной модуляции. Обычно эта операция производится совместно с детектированием в частотном детекторе (ЧД).
420
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 17.4. Структурная упрощенная схема приемника цветного телевидения
После детектирования сигнал звукового сопровождения через усилитель звуковой частоты (У34) поступает на громкоговорители (Гр).
Канал синхронизации содержит амплитудный (АС) и временной (ВС) селекторы. Первый из них (ограничитель) выделяет из полного ТВ сигнала сигнал синхронизации разверток, а второй (интегрирующие и дифференцирующие цепочки) — из сигнала синхронизации кадровые и строчные синхронизирующие импульсы. Особенности работы селекторов, развертывающих устройств, высоковольтного выпрямителя (ВВ) и системы автоматической подстройки частоты и фазы строчной развертки (АПЧФ) изложены в гл. 8 и 9.
Структурная схема цветного телевизионного приемника. Общий признак современных вещательных систем цветного ТВ с частотным уплотнением сигналов — совместимость — позволяет применять для радиоприема аналогичную с черно-белым вещанием схему приемника цветного телевидения. Из-за 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. 17.4. 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 Еу подается
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
421
на объединенные катоды (для дельта-кинескопа) цветного кинескопа. Получение цветоразностных сигналов E'G_Y и Ев_у осуществляется в блоке цветности декодером соответствующего стандарта. на который цветовой сигнал на модулированной поднесущей поступает с выхода АД блока радиоканала. Результирующие цве-тоделенные сигналы Е'ю E'G, Ев для дельта-кинескопов получаются опосредованно на соответствующих парах электродов кинескопа модулятор — катод, управляя токами лучей. В кинескопах с само-сведением, где только один общий электрод-модулятор, применяется внешнее матрицирующее устройство МУ, в котором из входных сигналов Ев_у) E'G_Y, Eb_y и Ey получают на выходах, подключенных к соответствующим катодам, цветоделенные сигналы E'Ri EGl Ев. Отклоняющие токи для кинескопа формируются в блоке разверток, а корректирующие токи, обеспечивающие сведение лучей в дельтакинескопе, — 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.
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 черно-белого телевидения. В частности, к АЧХ УПЧИ предъявляется требование обеспечить усиление не менее 1800...2000 раз с допустимой неравномерностью 1,5 дБ в полосе сигнала, в противном случае может возникнуть паразитная амплитудная модуляция поднесущей цветности и в конечном счете — искажение цветного изображения.
Характеристика УПЧИ должна обеспечить более глубокую ре-жекцию звуковой несущей своего и соседнего каналов на частотах 31,5 и 39,5 МГц не хуже 34...40 дБ во избежание помех на 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 в 100 раз по сравнению с несущей изображения, эффективное второе преобразование звуковой частоты выполняют не в видеодетекторе, а в отдельном диодном преобразователе АДЗВ, включенном в тракте УПЧИ там, где выдерживается соотношение размахов несущих изображения и звука (10...20):1, т.е. до глубокой режекции. Увеличенная глубина режек-ции несущей звука в цветном приемнике благоприятно сказывается на качестве изображения, если точность настройки приемника не хуже ±50 кГц от номинальной частоты канала, при которой частота режекции звука в УПЧИ равна преобразованной частоте несущей звука. Отсюда следует, что в цветном приемнике необходимо применять систему АПЧГ, обеспечивающую это условие, и при этом селектор каналов должен обеспечивать достаточную стабильность гетеродина
422
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
и большую, чем для приемника черно-белого телевидения, равномерность и избирательность АЧХ в принимаемом канале.
Во избежание проявления квадратурных искажений, характерных при использовании линейного АД в системах с однополосной амплитудной модуляцией, в современных приемниках цветного телевидения в УПЧИ применяется 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.
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 радиотракте которых необходимо обеспечивать прием и ре-жекцию звуковых промежуточных несущих на разных частотах разноса (6,5...6...5,5...4,5 МГц). В табл. 17.1 приведены основные параметры стандартов вещания, а в табл. 17.2 — стандарты вещания в странах мира.
Высокая надежность в эксплуатации и технологичность в изготовлении современных телевизионных приемников в немалой степени обязаны применению в радиоканале интегральных схем, в частности в УПЧИ, УПЧЗ и, как правило, в СК современной разработки. Это, в свою очередь, решает задачу унификации радиоканала в применении к телевизионным приемникам среднего и высокого класса, различие между которыми определяется в основном расширенными функциональными возможностями, большим удобством управления, большей надежностью и экономичностью.
С этих позиций, оценивая структурную схему цветного приемника (см. рис. 17.4), можно сделать вывод, что наиболее значительные видоизменения, модернизации, связанные с прогрессом в электронике, технике телевизионного вещания и 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 самосве-дением, начиная с первых выпусков, типа ЗУСЦТ (третье поколение, унифицированный, стационарный цветной телевизор), функционально наращивать в пределах единой конструкции и электрической
Таблица 17.1
Параметр	В	О	G	Н	I	К	KI	L	м	N
Диапазон волн	МВ	МВ	ДМВ	МВ	ДМВ	ДМВ	МВ	МВ	МВ	МВ
Число строк в кадре	625	625	625	625	625	625	625	625	5 2 5	625
Частота полей, Гц	50	50	50	50	50	50	50	50	60	50
Частота строк, Гц	15625	15625	15625	15625	15625	15625	15625	15625	15750	15625
Полоса частот видеосигнала, МГц	5	6	5	5	5,5	6	6	6	4,2	4,2
Полоса частот радиосигнала, МГц	7	8	8	8	8	8	8	8	6	6
Разнос несущих частот видео и звука, МГц	5,5	6,5	5,5	5,5	6	6,5	6,5	6.5	4,5	4,5
Вид модуляции несущей изображения	AM	AM	AM	AM	AM	AM	AM	AM	AM	AM
	ОБП	ОБП	ОБП	ОБП	ОБП	ОБП	ОБП	ОБП	ОБП	ОБП
Полярность модуляции (негативная, позитивная)	Н	И	Н	Н	И	II	В	П	II	И
Вид модуляции несущей звука	ЧМ	ЧМ	ЧМ	ЧМ	ЧМ	ЧМ	ЧМ	AM	ЧМ	ЧМ
Девиация частоты несущей звука, кГц	±50	±50	±50	±50	±50	±50	±50	-	±25	±25
Отношение мощностей несущих изображения и звука Система цветного телевидения:	10:1... 20:1	10:1... 5:1	10:1... 20:1	5:1... 10:1	5:1	5:1... 10:1	10:1	10:1	5:1... 10:1	5:1... 10:1
SECAM	+	+	+	—	-	±	±	+	-	-
PAL, поднесущая 4,43 кГц	+	+	+	±	±	+	—	—		-
3,575 кГц	-	-	-	-	-	-	-	-	т	-
3,582 кГц NTSC, поднесущая 3,58 МГц поднесущая 4,43 кГц (для видеозаписи)								i		-1-	+ +
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники	423
424
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Таблица 17.2
Страна	Стандарт	Страна	Стандарт
Австралия	B-PAL	Мексика	M-NTSC
Австрия	B/G-PAL	Монголия	D/K-SECAM
Бельгия	B/H-PAL	Никарагуа	M-NTSC
Болгария	D/K-SECAM	Норвегия	B/G PAL
Бразилия	M-PAL	ОАЭ	B/G-PAL
Великобритания	I-PAL	Оман	B/G-PAL
Венгрия	D/K-SECAM	Польша	D/K-SECAM
Вьетнам	D/K-SECAM	Португалия	B/G-PAL
Голландия	B/G-PAL	Румыния	D/K-PAL
Дания	B/G-PAL	Саудовская Аравия	B/G-SECAM
Индия	B-PAL	Россия, СНГ	D/K’-SECAM
Индонезия	B-PAL	США	M-NTSC
Ирак	B/G-SECAM	Таиланд	B/G-PAL
Иран	B/G-SECAM	Турция	B/G-PAL
Ирландия	I-PAL	Филиппины	M-NTSC
Италия	B/G-PAL	Финляндия	B/G-PAL
Канада	M-NTSC	Франция	L-SECAM
КНР	D-PAL	ФРГ	B/G-PAL
КНДР	D-PAL	Чехия, Словакия	D/K-SECAM
Куба	M-NTSC	Швейцария	B/G-PAL
Люксембург	B/G-PAL	Швеция	B/G-PAL
Мадагаскар	KI-SECAM	Южная Корея	M-NTSC
Испания	B/G-PAL	Япония	M-NTSC
схемы полезные качества, внедряя новые модули и заменяя 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) [73]. Для этих целей были разработаны следующие устройства: двухстандартные блоки цветности PAL/SECAM, двухстандартные модули радиоканала с разносом несущих звука и изображения 6,5 и 5,5 МГц, блок выбора программ с цифровым синтезом частот, дистанционное управление на инфракрасных лучах, устройство 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 применяются известные устройства, значительно улучшающие качество изображения в принимаемых стандартах, такие как устройство автоматического баланса белого (АББ), корректор цветовых перехо
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
425
дов, динамический регулятор уровня черного, шумоподавитсль в 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 получить 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, переключение 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 TVP02065-A4.1, 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 [74] фирмы Philips при помощи двухпроводной цифровой шины I2C (Inter Integrated Circuit — между микросхемами). Это позволяет надеяться, что с переходом к цифровым телевизорам, в которых в канале изображения и звука будут применяться только цифровые схемы и методы обработки сигнала при пользовании той же шиной 12С, возможно будет эволюционно заменять аналоговые микросхемы третьего и четвертого поколений на микросхемы с цифровым интерфейсом для шины 12С, например, серии 8000 фирмы Phillips. Это позволит заводам-изготовителям постепенно в традициях унифицированного телевизора УСЦТ перейти от модели 5УСЦТ с аналого-цифровым управлением к цифровым телевизорам с цифровой обработкой сигналов видео и звука по шине Г2С, связывающей непосредственно соответствующие модули цифрового исполнения.
На рис. 17.5 представлен общий вид (сзади) цветного телевизора типа 5УСЦТ, в котором функциональные узлы конструктивно выполнены в кассетно-модульном 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
426
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Вид сзади
Кассета обработки сигналов
КОС
| МУС SCART
L| скв |
Отклоняющая
Кассета разверток и питания
КРП
Плата
коммутатора сети
ПКС
Модуль синтезатора напряжений
МСН
Модуль звуковой частоты
МЗЧ
Блок питания дежурного режима БПД
Рис. 17.5. Размещение функциональных узлов схемы в конструкции телевизора 5УСТЦ
Рис. 17.6. Структурная схема цветного телевизора типа 5УСТЦ
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. 17.6) кассета обработки сигналов КОС-501 содержит модули СКВ-41Е2К всеволнового селектора каналов, двухстандартные
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
427
УПЧИ и УПЧЗ радиотракта на 6,5 и 5,5 МГц на микросхеме TDA-8305 и блок цветности, включающий в себя двухсистемный декодер PAL/SECAM (174ХА32), видеопроцессор с оперативными регуляторами (К174ХАЗЗ) и корректором цветовых переходов сигналов цветности (174ХА37). Кроме этих узлов в этой же кассете размещаются кадровая развертка на микросхеме К1021ХА5 и модуль устройства согласования МУС-501 для коммутации сигналов внешних устройств (например, компьютера или видеомагнитофона).
Кассета разверток и питания КРП-501 содержит модуль строчной развертки с корректором вертикальных линий и сплиттрансфор-матором типа TDKC-4 или TDKC-19 для питания накал а и электродов кинескопа и модуль импульсного питания телевизора с устройством размагничивания кинескопа (УРК).
В состав телевизора модели 5УСЦТ входят кроме указанных унифицированных узлов также модуль звуковой частоты МЗЧ-50 и синтезатор напряжений МСН-501. Последний, как правило, не является унифицированным и выполняет функцию блока управления оперативными электронными регулировками, выбора программ, стандарта вещания и системы цветного телевидения с помощью ми-кроЭВМ, например, на базе микросхемы РСА 84С640Р/019В, сообщающейся по цифровой информационной шине 12С с перепрограммируемым запоминающим устройством (ППЗУ) на микросхеме PCF8582A. 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 с помощью 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 TDA3048, установленного в модуле, и пульта дистанционного управления ПДУ-5 с инфракрасным передатчиком, выполненного на микросхеме SAA 3010Р.
В телевизоре типа 5УСЦТ применяется система дежурного питания БПД, которая включает полное питание телевизора при вызове соответствующей командой с ПДУ либо от запрограммированного
428
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
таймера в блоке МСН-501 посредством платы коммутации управляющей цепи КУЦ-45, информационно связывающей БПД-45 и МСН-501.
На рис. 17.6 показано выделенными штриховкой информационными шинами взаимодействие блока управления МСН-501 телевизора с основными узлами телевизора при пользовании функциональной клавиатурой лицевой панели самого телевизора ПУ-51 либо подобной клавиатурой на пульте дистанционного управления ПДУ-5.
Очевидно, что следующим шагом в развитии унифицированных телевизоров будет замена в этих шинах аналоговых управляющих и коммутирующих сигналов на цифровые коды двухпроводной шины 12С, связывающей микропроцессор блока управления с цифровыми интерфейсами аналоговых микросхем. Причем возможно сначала применение специальных интерфейсных микросхем, осуществляющих только адаптацию цифрового сигнала управления применительно к уже используемым типам аналоговых микросхем с аналоговой обработкой и регулировкой телевизионных сигналов. В последующих поколениях телевизоров может быть полная замена всех функциональных узлов с регулировкой и обработкой сигналов исключительно на узлы цифрового исполнения, объединенные цифровой информационной шиной 12С [74].
17.3.	Многостандартный блок цветности телевизоров УСЦТ
В соответствии с общими принципами декодирования стандартных сигналов цветного телевидения, изложенными в гл. 12, основной задачей блока цветности современного цветного телевизора является восстановление исходных цветоделенных сигналов E'R, E'G, Е'в, управляющих соответствующими токами лучей в кинескопе с самосведением, из декодированных цветоразностных и яркостного сигналов цветного телевидения любой системы принятой программы. Несмотря на большое разнообразие вещательных стандартов цветного телевидения (PAL, SECAM, NTSC с поднесущей 3,58 МГц и NTSC с поднесущей 4,43 МГц в видеозаписи), структурная схема блока, приведенная на рис. 17.7, показывает общие основные функции узлов, необходимые к исполнению в зависимости от класса телевизора и системы кодирования цветного сигнала. Как следует из схемы, полный телевизионный 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 [75]. В случае приема сигнала черно-белого изображения без поднесущей устройство цветовой синхронизации в декодере отключает фильтр режекции, повышая тем самым четкость черно-белого изображения. Задержанный в корректоре цветовой резкости КЦР яркостный сигнал и цветоразностные сигналы после КЦР
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
429
Внешние сигналы (PC, ВМ, телетекст)
III
Коммутация внешних сигналов
Рис. 17.7. Структурная схема блока цветности
поступают в сложное многофункциональное устройство — видеопроцессор, в котором осуществляется их матрицирование. Кроме этой операции в видеопроцессоре происходит 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 E'R, E'G, Ев управляют токами лучей при помощи видеоусилителей кинескопа, которые в телевизорах четвертого и пятого поколений гальванически связаны с видеопроцессором. Б отличие от телевизоров первых выпусков с применявшимися дельта-кинескопами, в которых управление токами лучей осуществлялось кондуктивно и раздельно по катоду яркостным Еу и по модуляторам цветоразностными сигналами ER_Y, EG_Y, E'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 E'R) E'G, Е'в и их раз-махов во внешних цепях.
Приведенные диаграммы управляющих сигналов и модуляционные характеристики в схеме с дельта-кинескопом (рис. 17.8) показывают, что при гальванической связи усилителей цветоразностных сигналов с модуляторами и усилителя яркостного сигнала, в котором осуществлена фиксация уровня черного с катодами, баланси-
430
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
в-
фиксации Еу)
Баланс _ в черном (А17вн, AUbG)
Насыщенность -(размах
Et?v)
Е'
t
Е'
t
Рис. 17.8. Диаграммы управляющих сигналов в дельтакинескопе при балансировке по уровню белого и уровню черного
ровка по уровню черного достигается за счет относительного изменения режимов видеоусилителей по постоянному току (AUbg и AUbr)-Балансировка по уровню белого достигается выравниванием токов лучей на белом й, G и В прожекторов регулировкой ускоряющих напряжений, воздействующих на наклон (крутизну) модуляционной характеристики. При этом оперативные регулировки насыщенности (в канале цветности на поднесущей), яркости (уровень фиксации в канале яркости) и контрастности (размах сигнала Еу) реализуются в этом случае достаточно легко. К сожалению, вследствие старения кинескопа и падения эмиссионной способности катодов с течением времени модуляционные характеристики кинескопа так сильно расходятся, что указанными выше регулировками не удается их сбалансировать в динамическом диапазоне сигнала. Кроме того, сама по себе балансировка требует достаточной квалификации.
Видеопроцессор четвертого и пятого поколений УСЦТ. Отличие в конструкции электронных прожекторов кинескопа с самосведением, в частности невозможность раздельно и непосредственно выравнивать крутизны модуляционных характеристик цветных прожекторов (рис. 17.9), более высокие требования к качеству цветных изображений в современных телевизорах, в частности требование хорошей динамической балансировки по белому, приводят к необходимости раздельной регулировки сигналов и неоднократной фиксации уровней в процессе обработки сигналов в специальном устройстве — видеопроцессоре (рис. 17.10). Первая фиксация уровней сигналов Еу, Е'и_у и Е'в_у. пришедших в видеопроцессор после разделительных цепей с потерей постоянной составляющей, осуществляется по уровню черного во время прохождения задней площадки гасящего импульса в сигнале Еу и нулевого уровня в сигналах E'R_y и Ев_у,
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
431
специальным стробирующим импульсом строчной частоты SSC, вырабатываемым в задающих цепях строчной развертки либо в цепях амплитудной и временной селекции видеосигнала. Восстановленные постоянные составляющие в сигналах EY и ElR_Y^ Е'в_у позволяют правильно матрицировать сигналы E'R_Y, E'G_Y, Ев_у и EY для •получения цветоделенных сигналов E'RjSGy Е'в, осуществлять электронную регулировку насыщенности в каскадах усилителей сигналов ER_Y, Е'в-y и контрастности сигналов ERy E'G, Ев.
Введение в сигналы E'R, EG, Е'в 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 Cl, С2, СЗ 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 информации 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. 17.11).
При гальванической (кондуктивной) связи выходных каскадов E'r, Eg, Er сигналов с видеоусилителями кинескопа, что характерно для типов УСЦТ четвертого и пятого поколений, необходимо осуществить «привязку» опорной площадки гашения в сигналах ER, EG,
432
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Внешние сигналы
схДсгТсз
Г—у Регулировка м	размаха
Регулировка -Н~|-насыщенности.
Пиковое
Регулировка контрастности
Среднее X
ОТЛ Сигнал коммутации
Рис. 17.10. Функциональная схема видеопроцессора:
ЦФ — цепь фиксации; М — матрицирование сигналов; PH — регулировка насыщенности; РК — регулировка контрастности; К — коммутатор сигналов; РЯ — регулировка яркости; КГ — каскад гашения; РР — регулировка раз-махов сигналов; АББ —’ система регулирования АББ; S — сумматор сигнала с корректирующим напряжением АББ; ФИ — формирователь импульсов от SSC; К — ключ в каналах АББ; Д — пороговый дискриминатор уровня
Рис. 17.11. Диаграмма сигнала на выходе одного из каналов видеопроцессора
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
433
Е'в к напряжениям отпирания (отсечки) лучей в модуляционных характеристиках кинескопа. В зависимости от типа микросхемы, применяемой в видеопроцессоре, уровни, к которым осуществляется привязка опорной площадки регулируемого сигнала в каналах, могут устанавливаться вручную (например, К174ХА17) при помощи внешних резистивных регуляторов, устанавливаемых в плате видеоусилителей кинескопа, ответственных за запирание луча в каждом из трех электронно-оптических прожекторов кинескопа, либо автоматически. В первом случае динамический баланс белого достигается вручную подгонкой индивидуально в каждом канале уровней опорных площадок в сигналах E'R, E'G, Е'в к напряжениям запирания и подрегулировкой размахов сигналов в каналах на белом (см. рис. 17.11). Очевидно. старение кинескопа и расхождение напряжений запираний в модуляционных характеристиках вызовут нарушение баланса белого и искажения цветного изображения. В современных микросхемах-видеопроцессорах типа К174ХАЗЗ (TDA3505) и им подобных телевизоров четвертого и пятого поколений для устранения ручной регулировки баланса на темных участках применяется система автомата ческой балансировки белого АББ, т.е. балансировки уровней привязки в выходных сигналах E'R, EG. Е'в процессора. Для этого в микросхеме формируются в трех последних строках кадрового гасящего импульса измерительные прямоугольные видеоимпульсы положительной полярности Д^/дбб, которые по одному вводятся в каждый из сигналов с размахом, соответствующим примерно 10 мкА отпертого луча соответствующего прожектора. В каждом канале при помощи селектирующего ключа К происходит отслеживание и регулирование (АББ) такого положения площадки гасящего импульса в сигнале и напряжения открывания кинескопа, при котором во всех трех 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,B отметят расхождение в амплитудах контрольных импульсов токов по каналам, больших или меньших 10 мкА, а значит, и различие в привязках опорных площадок гашения сигнала к 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 Е прибавится 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 изменение яркости.
434
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Уровень отсечки луча R
Опорная площадка гашения ±1/д
Уровень черного
Е'в
Е'в
Д^АББ
&UG
Д17ЛЛ
Уровень отсечки луча G
Д^АББ
Опорная площадка
Уровень черного
ДС'р f Д^АББ
Уровень отсечки луча В
Опорная площадка ±Uq Уровень черного
Рис. 17.12. Диаграмма напряжений измерительных сигналов на катодах R, G, В кинескопа (a-в); на измерительном сопротивлении R? (г); трехуровневого сигнала SSC для фиксации и гашения (д)
На рис. 17.12 представлены диаграммы измерительных сигналов АББ в каналах и на общем измерительном резисторе RT на плате видеоусилителей кинескопа, поясняющие принцип действия АББ. Очевидно, при старении кинескопа и изменении модуляционных характеристик в такой системе поддерживается баланс белого только на темных участках. Балансировка на светлых участках изображения должна производиться регулировкой «размахов Я, G и В», 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'ю E'G, Е'в в каналах, исключая таким образом ручные подрегулировки размахов 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 при регулировках насыщенности, яркости, контрастности, размахов сигналов и обеспечении измерительных импульсов для АББ, осуществляется трехуровневыми импульсами SSC (Super sand castle), имеющими сложную форму и задающими в ин
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
435
тервале уровней 0...2.5 В кадровые импульсы гашения но полю, в интервале 2,5...4,5 В — строчные импульсы стробирования для гашения 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. 17.Г2,<?. Пользование таким импульсом позволяет снизить число выводов микросхемы, что немаловажно для повышения надежности и микроминиатюризации радиоаппаратуры.
Все составляющие импульсов SSC, 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 (ОТД) кинескопа. Это ограничение выполняется с помощью порогового шунтирующего воздействия на регулятор контрастности и затем, каскадно, на регулятор яркости при чрезмерном (более 1 мА) возрастании среднего тока кинескопа на очень светлых изображениях (микросхемы TDA2500, TDA3501—TDA3505, К174ХА17, К174ХАЗЗ). Датчиком контрольного напряжения токовой перегрузки кинескопа является либо тот же резистор в плате видеоусилителей кинескопа, что 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.
Для отсутствия расфокусировки лучей на очень белых мелких деталях, на которые не реагирует ОТД по среднему току лучей из-за малого удельного веса этих деталей в средней яркости изображения, в современных процессорах (TDA3501-TDA3505, К174ХАЗЗ) применяется другая разновидность ОТД — в пиках тока. Для того чтобы она действовала эффективно, ограничивая контрастность и яркость через известные регуляторы, на определенный вход микросхемы видеопроцессора через разделительный конденсатор с наружного аква-дагового покрытия кинескопа подается пиковое импульсное напряжение, значение которого пропорционально мгновенному значению полного тока кинескопа. Установленный на определенный предел пороговый дискриминатор Д видеопроцессора, при каждом превышении допустимого пикового тока воздействует на электронные регуляторы контрастности и яркости, уменьшая последние по той же схеме, что и в случае действия ОТД по среднему значению тока [74].
Видеоусилители кинескопа. Характерной особенностью выходных усилителей сигналов Е'н, Е'а, Е'в является их широкопо-лосность 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.
436
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
RT
Рис. 17.13. Схема видеоусилителя кинескопа с датчиком темнового тока
При этом существенно уменьшается 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. Для снижения потребляемой мощности выходные каскады современных телевизоров выполняются, как усилители с активной нагрузкой [75]. На рис. 17.13 показан видеоусилитель одного канала. Первый каскад ВУ с общим эмиттером на транзисторе VT1, в коллекторе которого развивается основное усиление (до 150 В размаха), нагружен не на катод кинескопа, а на эмиттерный повторитель VT2, который уменьшает действие паразитных емкостей соединительных проводов и входных емкостей катодов кинескопа. При этом появляется возможность в той же полосе сигнала существенно увеличить резистивную нагрузку каскада на VT1, сбросив с коллектора VT1 значительную мощность рассеяния. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить паразитную емкость на выходе VT1 за счет отказа от теплового радиатора. В итоге потребление мощности от источника в таком усилителе с активной нагрузкой снижается более чем в 2...3 раза, а из-за противофазности загрузки транзисторов VT1, VT2 на белом и на черном среднее потребление тока от источника выравнивается, облегчая требования к пульсации. Транзистор VT3, включенный как эмиттерный повторитель с общим для всех трех каналов видеоусилителей резистором RT предназначен для измерения темнового тока луча кинескопа, контролируемого специальными импульсами в кадровохм гасящем (см. рис. 17.12) для системы АББ. Это же сопротивление RT, на котором суммируются напряжения от протекающих по нему трех токов лучей, может выполнять 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 (Colour accutence improvement, CAI) для всех стандартных цветных систем связана с необходимостью оптимального совмещения во времени коротких
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
437
фронтов широкополосных сигналов яркости (около 150 нс) с затянутыми фронтами узкополосных цветоразностных сигналов (около 800 нс). В приемниках первых поколений для совмещения фронта применялась линия задержки в канале яркостного сигнала, однако качество цветного изображения, особенно в мелких деталях, из-за размытости цветных границ в насыщенных цветах было недостаточно хорошим. Кроме того, широкополосная линия задержки в яркостном канале из-за громоздкости плохо сочеталась с высокой степенью миниатюризации и интегральной технологией, характерной для современной схемотехники приемников. Известно, что многостандартные декодеры в соответствии с разными частотными характеристиками производимых сигналов требуют варьирования в некоторых пределах времени задержки в яркостном канале. Поэтому в современных приемниках применяют устройство коррекции цветовой резкости (см. рис. 17.7), выполняемое по интегральной технологии в виде микросхемы с двумя каналами обработки сигналов, которые должны решить две функциональные задачи: регулировка задержки яркостного сигнала (Luminance quality improvement, LQI) и улучшение цветовых переходов в изображении (Colour transient improvement, CTI).
Схемотехнически необходимую величину задержки сигнала в яркостном канале КЦР с некоторыми пределами регулирования обеспечивают набором необходимого 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 микросхемы. В микросхеме отечественного производства К174ХА37 и ее зарубежных аналогах TDA4560 и TDA4565 полное время задержки обеспечивается в пределах 720... 1035 нс, гарантируя точное совпадение яркостного и цветоразностных сигналов во времени для любого стандарта.
Улучшение цветовых переходов (CTI) в цветном изображении достигается специальной обработкой узкополосных сигналов Ев_у и Е,в_у, поступающих на устройство корректора цветовой резкости (CAI). На рис. 17.14,а, б, в приведены диаграммы напряжений яркостного и цветоразностных сигналов при совмещении их посредством традиционной линии задержки на 330 нс в яркостном канале и без коррекции фронтов цветоразностных сигналов. Диаграммы рис. 17.14, г, <9, 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 некоррелированных (соответственно рис. 17.14,и 17.14,б,в).
Устройство коррекции фронтов (CTI) цветоразностных сигналов, работа которого поясняется диаграммами рис. 17.15, включает в себя две одинаковые схемы с каналом (для E'R_Y и Е'в_у) последовательной аналоговой обработки импульсов входного цветоразностного сиг-
438
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 17.15. Диаграммы сигналов в устройстве коррекции
Рис. 17.14. Сигналы яркостные и цветоразностные без коррекции цветовых переходов (a-в); с коррекцией (г, д)
Рис. 17.16. Структурная схема корректора цветовых переходов (CTI)
нала и релейного переключателя, управляемого сформированными управляющими импульсами [75]. Согласно рис. 17.15 и 17.16 входной цветоразностный сигнал, имеющий относительно крутой передний фронт и пологий задний срез, поступает на нормально замкнутый электронный ключ (ЭК) и дифференцирующую цепь. После дифференцирования сигнал детектируется двуполярным детектором фронта, поскольку сигналы цветности имеют разную полярность. На месте фронтов получаются импульсы положительной полярности, амплитуды которых пропорциональны крутизне фронта и среза цветоразностного сигнала (C7i на рис. 17.15,6). Импульсы пропускают через фильтр верхних частот (ФВЧ) с постоянной времени 800 нс (рис. 17.15,в) и ограничивают в амплитудном ограничителе (АО) на уровне порога Un. При этом формируются прямоугольные импульсы
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
439
управления (релейные) (рис. 17.15.г), размыкающие ЭК. Конденсатор С образует вместе с ЭК день выборки и хранения, на выходе которой поддерживается уровень сигнала, соответствующий моменту размыкания ключа. В итоге получается сигнал С/вых, длительность переходов в котором сокращена. За счет появления более короткого импульса в начале среза цветоразностного сигнала после прохождения устройства CTI в нем появляется незначительная ступенька (рис. 17.15,д), не оказывающая существенного влияния на качество изображения. Очевидно, что чем более пологий срез (например, плавный, естественный переход цвета в сюжете) в сигнале', тем меньше проявляется эта ступень. Вообще устройство CTI тем эффективнее, чем круче фронты импульсов. Естественно, что наиболее эффективно это устройство в системах NTSC и PAL. В системе SECAM, к сожалению, из-за ограничения в кодере выбросов от низкочастотной предкоррекции на цветовых переходах насыщенных цветов возникают затяжки фронтов до 1,8 мкс, при которых эта схема не эффективна. Однако в сюжетах с ненасыщенными цветами изображение и в системе SECAM после коррекции существенно качественнее. Специфические сколы на фронтах цветоразностных сигналов насыщенных цветов, как следствие амплитудного ограничения в кодере; нредыс-каженных сигналов, могут быть существенно снижены адаптивными корректорами цветовых переходов, которые способны уменьшить затянутый фронт в сигналах системы SECAM от 1,8 до 0,5 мкс [75], после чего эффективно применение систем коррекции цветовой резкости (CAI). 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 PAL, SECAM и NTSC. Развитие интегральной схемотехники позволяет эффективно решать эту задачу на базе новейших поколений микросхем самыми прогрессивными методами. Это новое качество современного телевизора особенно 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, существуют три основных способа создания многосистемных декодеров цветности:
1)	декодер-конвертор с использованием принципа транскодирования;
2)	декодер с использованием параллельных каналов цветности на разные стандарты;
440
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 17.17. Упрощенная структурная схема конвертирования SECAM/PAL
3)	декодер с общими для разных систем узлами с переключением режимов их работы (комбинированный декодер).
Декодер конверторного типа [75] был предложен для приема двух стандартов цветного телевидения: PAL как основной и SECAM, конвертируемый в PAL. Этот способ был предложен в начале 70-х годов и реализовывался в виде приставок-конверторов к телевизорам стандарта PAL. До настоящего времени этот способ находит воплощение в разработанных комплектах микросхем TDA3300 и TDA3030 третьего поколения и более совершенных микросхем четвертого поколения TDA3562 и TDA3590, TDA3591 (отечественные аналоги КР1021ХА4 и КР1021ХАЗ), способных конвертировать SECAM в PAL и принимать в основном канале еще и стандарт NTSC. Как следует из названия, основная идея этого способа заключается в том, что принимаемый сигнал цветности SECAM по упрощенной схеме декодируется до низкочастотных сигналов цветности E'R_y и Е'в_у и затем кодируется методом квадратурной балансной модуляции в сигналы, похожие на сигналы PAL, которые могут быть приняты основным декодером PAL телевизионного приемника. Упрощенная структурная схема конвертирования сигнала SECAM показана на рис. 17.17. Если принимается сигнал PAL, входной переключатель Ki от опознавателя системы в блоке цветовой синхронизации (БЦС) устанавливается в положение Р, и сигнал Un со входа направляется через полосовой фильтр (ПФ) в кодер PAL, где демодули-руется стандартным образом.
Если принимается сигнал SECAM, входной переключатель устанавливается в положение S, и сигнал Un через контур коррекции ВЧ предыскажений КВП поступает в упрощенный канал SECAM, где ограничивается по амплитуде и демодул и руется одиночным частот-
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
441
ним детектором. Чтобы выровнять уровни черного в сигналах E'R_Y и E'B_Y, в частотный детектор направляется меандр напряжения полустрочной частоты /с/2, этим же напряжением с частотой /с/2 управляется инвертор сигнала, который делает полярность чередующихся и разнополярных сигналов E'R_Y и E'B_Y положительной. В балансном модуляторе (БМ) эти сигналы подвергаются квадратурной модуляции с помощью 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 PAL, так называемый псевдо-PAL, так как на каждой строке присутствует только одна составляющая Uy (ER_Y)y либо Uy (Ев_у). После прохождения этих сигналов через замкнутый в положении S ключ Ki, полосовой фильтр и устройство линии задержки (УЛЗ) результаты сложения прямых и задержанных сигналов псевдо-PAL в сумматорах будут отличаться от таковых в стандартном PAL сигнале. Представленные на рис. 17.17 векторные диаграммы иллюстрируют это отличие. Видно, что на синхрон пью детекторы приходят сигналы Uy и Uy в квадратуре, как в системе NTSC, а это значит, что в отличие от PAL такие сигналы имеют сильное изменение от фазовых нестабильностей в опорном генераторе, БМ и т.д. Тем не менее такие конверторы-приставки широко применялись ввиду относительной простоты.
В последующих разработках специальных комплектов микросхем-конверторов TDA3030 и TDA3300 этот недостаток был ликвидирован за счет применения дополнительных коммутаторов прямого и задержанного сигналов и синфазной балансной модуляции, вследствие чего приходящие на синхронные детекторы сигналы Uy и Uy 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 заметно глазу. Однако в дополнительном коммутаторе прямого и задержанного сигналов перекрестные помехи от сипфазности Uy и Uy способны искажать цвет.
Более поздние разработки комплектов микросхем декодеров конверторного типа TDA3590, TDA3591 и TDA3590A (отечественный аналог КР1021ХАЗ) в паре с видеопроцессором PAL TDA3560, TDA3561 или TDA3562 (отечественный аналог КР1021ХА4) за счет дальнейшего совершенствования и усложнения внутренней структуры, возврата к квадратурной БМ позволяют оперировать после конвертирования сигналами Uy и Uy, как и в PAL, раздельно присутствующими на синхронных детекторах. Но поскольку в БМ сигнал псевдоРАБ в этих микросхемах представлен квадратурно, то электронный коммутатор прямого и задержанного каналов не вносит таких сильных перекрестных искажений, как в синфазных сигналах Uy и Uy микросхем TDA3300 и TDA3030. Возможности этого комплекта расширены также за счет способности его декодировать и сигнал
442
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
NTSC при замене кварца в генераторе и другой коммутации.
Оценивая достоинства конверторного способа, можно отметить следующее:
•	отсутствуют перекрестные искажения между сигналами цветности, особенно характерные для 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 SECAM;
•	возможны помехи от интерференции между несущей SECAM. и опорной частотой PAL при некачественном исполнении монтажа. Тем не менее конверторный способ декодирования системы SECAM применяется в современных зарубежных и отечественных многостандартных приемниках, в частности в телевизорах «Электрон» на микросхемах КР10921ХАЗ и КР1021ХА4 из-за легкости перехода на изготовление двухстапдартпого приемник a PAL. NTSC за счет изъятия из общей схемы конвертора SECAM без ущерба для технологичности производства.
Декодеры с параллельными каналами цветности распространены в отечественных телевизорах, например, «Рубин» 51ТВ4УСЦТ на два стандарта — PAL и SECAM, и используют два независимых взаимно блокирующихся канала цветности, объединяемых только общей ультразвуковой линией задержки, к которой предъявляются требования высокой точности задержки oi* PAL и минимального эхосигнала от SECAM. Один из канатов 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.
Функциональная схема двухсистемного декодера параллельного типа на базе известных микросхем TDA3510 (отечественный аналог К174ХА28) в канале PAL и TDA3520 или TDA3530 (аналоги K174XA1G или К174ХА31) в канапе SECAM приведена на рис. 17.18. 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 Е'н-у и	в каждой микросхеме. В соответствии с принци-
пом параллельное.: i 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
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
443
Рис. 17.18. Структурная схема декодера с параллельными каналами цветности систем SECAM, PAL (NTSC)
импульсов. В случае опознавания «.своей» системы детектор опознавания в каждой микросхеме вырабатывает команду, которая открывает «свой» канал цветности, блокирует «чужой» и придает высокий потенциал выходным сигнальным тинам микросхемы, связанным с внешними элементами. Так ка,к все внешние сигнальные цени, обозначенные на рис. 17.18, 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 декодеры 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 число подключаемых внешних элементов.
Популярной микросхемой такого типа, широко используемой в европейских телевизорах и отечественных пятого поколения, является TDA4555 (отечественный аналог К174ХА32). На аналогичном принципе действует, например, и микросхемы фирмы Toshiba TA8653N (или TA8659N), но включает в себя еще и современный видеопроцессор с селектором синхроимпульсов. Эти микросхемы способны опознавать в автоматическом режиме и декодировать четыре системы цветного телевидения: PAL, SECAM и NTSC с поднесущей 3,58 МГц и NTSC с поднесущей 4,43 МГц, с переключением
444
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
входного фильтра сигнала цветности и соответствующего фильтра режекции яркостного.
На рис. 17.19 представлена функциональная схема многосистемного комбинированного декодера на базе TDA4555 (отечественный аналог К174ХА32), который в сочетании с микросхемой корректора цветовой резкости (CAI) позволяет в современных телевизорах в яркостном канале достигнуть оптимальной для принимаемой системы задержки за счет регулируемой задерживающей гираторной линии микросхемы TDA4565 (К174ХА37).
Из схемы видно, что в одном корпусе (стандартном, на 28 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 цветной ТВ сигнал (ПЦВТС) 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 PAL и NTSC совместно с сигналами цветовой синхронизации (вспышками) после усилителя направляются в матрицу PAL (коммутатор SECAM), которая для системы NTSC пропускает по соответствующей команде от устройства опознавания только прямой сигнал, а в случае системы PAL выполняет функцию сложения прямого и задержанного сигналов и разделения сигнала цветности на компоненты Ur и Uy. Демодуляторы PAL/NTSC принимают на входы сигналы цветности PAL/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 E'R_Y и Е'в_у. Включение и варьирование генераторов опорных частот fs (3,58 и 4,43 МГц) осуществляется также командным управлением соответствующего генератора от устройства проверки и опознавания системы.
В случае приема сигнала цветности SECAM прямой и задержанный сигналы на поднесущих 4,406 и 4,25 МГц после ограничения в коммутаторе SECAM (в который по команде SECAM обращается матрица PAL) попадают на параллельно включенный демодулятор SECAM в виде раздельных компонент Dr и Dr. Синхронная демодуляция ЧМ сигналов осуществляется за счет воздействия на вторые входы демодуляторов сигналов Dr и Db, прошедших фазосдвигающие контуры, настроенные на «красную» и «синюю» поднесущие SECAM. Скорректированные фильтрами от НЧ предыскажений сигналы Е'1{_у и Ев_у поступают на выходные выводы микросхемы.
Фазосдвигающий	Фазосдвигающие
Рис. 17.19. Функциональная схема многосистемного комбинированного декодера на базе микросхемы TDA4555 (К174ХА32)
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники	445
446
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Устройство опознавания многосистемного декодера действует 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 SECAM уникальность сигнала вспышек заключается в чересстрочном чередовании частот покоя «красной» и «синей» поднесущих. Система PAL отличается от NTSC-4,43 чересстрочным чередованием фаз поднесущих во вспышках О...9О0. В системе NTSC-4,43 такое чередование отсутствует, а в системе NTSC-3,58 частота вспышек существенно отличается от частот вспышек в трех других системах.
В принципе эти признаки различаются стандартными приемами и устройствами, которые применяются в цветовой синхронизации ранее рассмотренных многосистемных декодеров и в канонических схемах системных декодеров.
Здесь же при анализе используют одновременно частотный демодулятор с опорным контуром 4,43 МГц для обнаружения разночастотных вспышек СЦС SECAM, фазовый детектор вспышек для обнаружения СЦС PAL и NTSC, детектор полустрочной частоты для обнаружения присутствия меняющихся через строку сигналов СЦС PAL либо SECAM. Логическое перемножение результатов, обнаруженных каждым из детекторов, в совокупности определит четыре отличительных состояния на двух выходных интеграторах полустроч-ного 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 происходит в следующем порядке: PAL, SECAM, NTSC-3,58, NTSC-4,43. Интервал запроса составляет четыре поля — 80 мс и определяется в основном постоянной времени АРУ в регулируемом входном усилителе сигналов цветности.
При подтверждении запрашиваемой системы включение канала цветности происходит еще через 40 мс для исключения ложного срабатывания от чужой системы. Команды опроса систем кроме внутренних цепей и узлов микросхемы включают соответствующие внешние входные фильтры, фильтры режекции, генераторы опорных поднесущих, а также осуществляют оптимальный выбор задержки яркостного сигнала при использовании схемы цветового корректора резкости (TDA4565). В микросхеме TDA4555 возможно по тем же командным шинам принудительно открывать внешним постоянным напряжением канал цветности необходимой системы в случае априорно известной системы принимаемого сигнала цветного телевидения.
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
447
Полностью синхронизация в декодере осуществляется от трехуровневого сигнала SSC, 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 серин 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.
17.4. Телевизионный приемник с цифровой обработкой сигналов стандартного цветного
телевидения
Благодаря развитию цифровой техники и прогрессу в производстве интегральных схем в рамках существующего аналогового вещания современные телевизионные приемники используют в отдельных узлах цифровую обработку сигналов. Основной результат применения цифровой обработки заключается в получении чрезвычайно устойчивого изображения, которое субъективно воспринимается как изображение с улучшенным качеством. Подобный метод улучшения конечного продукта стандартного телевизионного вещания получил на Западе обозначение IDTV (Improved Definition Television), пли ADTV (Advanced Definition Television), а в отечественной терминологии — ТПК (телевидение повышенного качества).
Одно из основных преимуществ цифровой обработки сигналов связано с процессом производства.. В этом смысле массовое производство аналого-цифровых приемников требует существенно меньших настроечных операций на этапе производства и в процессе обслуживания. Современное исполнение цифровой обработки сигналов в ТВ приемниках подразумевает микропроцессорное управление и автоматические регулировки, например, баланса белого и пр. В сочетании с буферной памятью на кадр изображения цифровая обработка позволяет приобрести новые качества воспроизводимого изображения, такие как стоп-кадр, кадр в кадре, изменение масштаба изображения, графика из телетекста и других сервисных устройств.
На рис. 17.20 представлена функциональная схема аналого-цифрового приемника телевизионного вещания, выполненного на основе концепции фирмы ITT — Digit-2000 [76]. Как видно из схемы, аналоговой обработкой сигнала заняты радиотракт приемника (селектор каналов (СК), тракт промежуточной частоты) и оконечные
448
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Аудио
Аудио-, процессор
Видеопроцессор
Видео
Е,
8 4'’U/V
Кодек-процессор
Выходные
видеоусилители
Шина управления
Аналоговая часть
Процессор центральный
Процессор разверток
СИ
КИ
Выходные каскады
Цифровая часть । Аналоговая часть
7 V

7
Рис. 17.20. Функциональная схема аналого-цифрового приемника Digit-2000
каскады выходных сигналов R, G, В и звука (стерео), а также мощные каскады строчной и кадровой развертки кинескопа. Цифровую часть этого приемника составляет комплект микросхем, объединенных общим названием «DIGIT-2000» и представляющих собой СБИС. Вместе с небольшим числом дополнительных элементов они заменяют сотни классических аналоговых функциональных элементов, которые необходимы в блоках аналоговых телевизоров. При этом, в частности, достигаются следующие преимущества: малое количество дополнительных (внешних) элементов контроля и настройки, отсутствие разброса параметров, отсутствие дрейфа и старения, возможность программирования, удобство обслуживания благодаря управлению с помощью программных средств, возможность автоматического балансирования параметров ТВ приемников в процессе производства, прием звукового сопровождения по любой из существующих норм вещания, а также многостандартный прием сигналов ТВ систем PAL, NTSC и SECAM.
В структуре проекта «DIGIT-2000» можно выделить следующие функциональные узлы.
Центральный процессор включает в себя 8-битовый микрокомпьютер и координирует все процессы в цифровой системе управления. В его электронной памяти хранятся балансировочные параметры, выставленные в процессе изготовления телевизора и обеспечивающие высокое качество изображения. Кроме того, через центральный процессор осуществляется связь с телезрителем и его пультом дистанционного управления. Выбранные пользователем номера каналов, значения громкости, насыщенности и т.д. воспринимаются, обрабатыва-
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
449
ются и перенаправляются к другим функциональным элементам. В основном центральный процессор выполняет следующие функции:
•	поддерживает системы дистанционного управления на ИК лучах;
•	реализует 32 команды непосредственного управления;
•	имеет энергонезависимую память для выбора программ;
•	управляет индикацией каналов на светодиодах, управляет работой микросхем — процессоров цифровой обработки сигналов изображения, звукового сопровождения и развертки с помощью последовательных межблочных шин (IM-Bus).
Видеопроцессор выполняет те же функции, что и декодер цветности, например декодер PAL в аналоговом современном телевизоре, но работает с цифровыми сигналами на тактовой частоте 17,734 МГц (учетверенной поднесущей PAL). Входным сигналом видеопроцессора является полный видеосигнал Еп в виде помехозащищенного 7-битового кода Грея от кодек-процессора. В процессоре код Грея дешифруется и разводится в цифровом виде в каналы яркости, цветности и синхронизации. Микросхема видеопроцессора содержит преобразователь кода Грея, цифровые фильтры сигналов цветности, фильтры цветовой поднесущей с коррекцией резкости изображения, умножитель контрастности с ограничителем для яркостного сигнала, систему АРУ и регулировку насыщенности для цветоразностных сигналов, декодер PAL, а также узлы синхронизации, обеспечивающие сигналами процессор разверток.
Во взаимодействии с микросхемой видеопроцессора работает микросхема кодек-процессора, назначение которой — аналого-цифровое преобразование полного цветного сигнала Еп в код Грея и обратное цифро-аналоговое преобразование цифровых сигналов яркости и цветности из видеопроцессора. Кроме того, микросхема кодека содержит матрицу сигналов RGB с возможностью преобразования сигналов Y, U, V в сигналы RGB. Микросхема содержит также вспомогательные программируемые цепи для гашения, регулировки яркости и баланса кинескопа.
Микросхема аудиопроцессора с программным управлением по последовательной шине выполняет следующие функции: аналого-цифровое преобразование аудиосигнала, коррекцию предыскажений (Deemphase), физиологическую коррекцию громкости, формирование сигнала псевдостереозвука, декодирование сигнала опознавания монофонической передачи, стереофонической передачи или двухречевого сопровождения.
Процессор разверток осуществляет общее управление вертикальной и горизонтальной развертками лучей в кинескопе и реализует следующие задачи системы развертки: фиксация уровня видеосигнала, амплитудная селекция строчных и кадровых импульсов, получение пилообразных напряжений с коррекцией подушкообразных искажений.
450
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 17.21. Функциональная схема многостандартного декодера PAL, NTSC, SECAM
Одним из первых вариантов реализации рассмотренного цифрового телевизора по проекту ITT был комплект цифровых процессоров для многостандартного декодера цветности PAL, NTSC и SECAM в телевизорах «Aiwa TV-1402, Aiwa TV-2002, Aiwa TV-2102» [76].
Функционально декодер состоит из трех микросхем:
•	видеопроцессора VSP2860, декодирующего полный цифровой видеосигнал по системам NTSC и PAL:
•	декодера SECAM SPU2243, декодирующего параллельно полный цифровой видеосигнал по системе SECAM;
•	кодера-декодера VCU2133, осуществляющего аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования входных сигналов в соответствии с рассмотренной выше концепцией ITT.
Схема взаимодействия этих микросхем в многостандартном декодере показана на рис. 17.21. Аналоговый полный видеосигнал Еп поступает с видеодетектора радиоканала или внешнего входа телевизора на АЦП кодека VCU2133 и в виде 7-разрядного кода Грея разводится на видеопроцессор VSP2860 и декодер SECAM SPU2243. В микросхеме VSP2860 вырабатываются запускающие импульсы строчной и кадровой частоты для выходных каскадов разверток кинескопа и осуществляется цифровое декодирование сигналов яркости и цветности для систем NTSC и PAL. В микросхеме SPU2243 осуществляется цифровое декодирование цветности по системе SECAM. Цифровые декодированные сигналы яркости 8-битовым кодом и сигналы цветности мультиплексированно 4-битовым кодом из микросхем SPU2243 и VSP2860 вновь поступают на микросхему VCU2133, где преобразуются в аналоговые сигналы основных цветов 7?, G и В, пригодные для возбуждения оконечных каскадов видеоусилителей кинескопа.
Параллельно с внедрением цифровых декодеров вещательных стандартов PAL, NTSC и SECAM в современных ТВ приемниках высокого класса «High End» с большими экранами, начиная с 90-х годов, разработчики предложили использовать память на кадр как ключевой элемент в улучшении качества изображения (Improved Picture Quality. IPQ).
Цифровая память на кадр используется в системе обработки сигналов, устраняющей некоторые дефекты изображения в обычном
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
451
Рис. 17.22. Схема работы цифрового процессора для системы PAL
Рис. 17.23. Схема рекурсивного фильтра
телевизоре существующих вещательных стандартов, например PAL или SECAM.
Как известно, на изображениях, получаемых по этим стандартам, возникают мерцания крупных участков изображения с большой яркостью с частотой полей 50 Гц. При наличии высокочастотных пространственных вертикальных составляющих изображения чересстрочная развертка приводит к межстрочным мерцаниям (flicker) с частотой 25 или 30 Гц (для NTSC). Кроме того, передача сигналов яркости и цветности в общей полосе частот вызывает перекрестные искажения «яркость-цветность» и «цветность-яркость» (crosscolour), и, наконец, в любой вещательной системе принимаемый сигнал сопровождается шумовой помехой, которая может быть заметна на воспроизводимом изображении.
На рис. 17.22 показана обобщенная структура цифрового процессора, существенно улучшающего качество изображения. Сигналы Еу, Еу и Еу поступают от PAL-декодера. После фильтрации сигнал Еу разделяется на две составляющие — низкочастотную Еунч (ниже 3 МГц) и высокочастотную Е'Увч. Каждая из составляющих Еунч, Вувч, Еу, Еу в цифровом виде пропускается через рекурсивные фильтры, использующие память на кадр, принцип работы которых иллюстрирует рис. 17.23. Подобные временные фильтры используются обычно в современных системах шумоподавления (см. гл. 15). Однако в данном случае они уменьшают также уровень перекрестных искажений между сигналами яркости и цветности, вызывающих появление движущихся паразитных структур. Подавление происходит путем вычисления на выходе фильтра среднего по време-
452
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 17.24. Функциональная схема цифрового модуля IPQ
ни значения, которое для подобных помех равно нулю. Коэффициент К фильтров устанавливается для каждого элемента изображения с помощью детектора движения, что предотвращает смазывание тех частей изображения, где происходит движение.
Таким образом, низкочастотный рекурсивный фильтр сигнала •#Унч уменьшает уровень шумов, а высокочастотный фильтр сигнала подавляет как шумы, так и перекрестные искажения «яркость-цветность». Рекурсивные фильтры сигналов Еу и Еу подавляют и шумы, и перекрестные искажения «цветность-яркость» аналогично.
Для уменьшения мерцания больших площадей применяется преобразование развертки с удвоением частоты полей до 100 Гц либо преобразование чересстрочной развертки в прогрессивную с удвоением строчной частоты.
В настоящее время выпускаются в большом количестве и разнообразные комплекты микросхем, составляющие модуль улучшения изображения. Эти модули могут состыковываться как с аналоговыми декодерами стандартных систем, так и с цифровыми.
Функциональные возможности модуля улучшения качества изображения (IPQ) определяются составом микросхем, обслуживающих память на кадр. Фирмой Philips выпущен ряд микросхем, которые во взаимодействии с МС памяти фирмы TEXAS INSTRUMENTS — TMS4C2970, АЦП типа TDA8709 и микроконтроллером Р83С654 в составе модуля IPQ способны целенаправленно улучшить качество изображения стандартной цветной телевизионной системы. В зависимости от состава модуля его выходные параметры и степень улучшения качества могут быть разные. В табл. 17.3 приведены некоторые особенности вариантов модулей IPQ, а на рис. 17.24 — вариант исполнения модуля IPQ с некоторыми улучшенными свойствами изображения.
Модуль способен работать с цифровыми или аналоговыми сигналами (АЦП — TDA8755) У, U, V в формате 4:1:1, используя две интегральные схемы памяти — TMS4C2970 (3 Мбит), контроллер памяти SAA4951 и микроконтроллер S87C652 (PSB83C652). Функции преобразования развертки и подавление шума с перекрестной
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
453
Таблица 17.3
Параметр модуля	Вариант модуля				
	Полный		Расширенный	Экономичный	
АЦП Микроконтроллер Контроллер памяти	SAA4952H		TDA8750 PSB83C654ROM SAA4951WP		
Улучшение изображения, Lineflicker reduction, ЦАП Схема подавления шума и перекрестных помех в цветном сигнале Требуемый объем памя-	SAA7 SAA 2x3	158WP 4990Н 6	SAA490 2x3	3	4
ти, Мбит Воможность форматирования	+		+	-1-	
кадра (4:3; 16:9) Ос Формат сигнала У, £7, V	обеннос 4:1:1	:ти модг 4:4:4	у ля 4:1:1	4:1:1	4:2:2
Разрядность данных, бит	12	24	12	12	16
Увеличенная площадь по-	+	+	+	+	4-
давления «флик кер»-шум а при конверсии с 50/60 Гц на 100/120 Гц Формат кадра 4:3, 16:9	+	+	+	+	+
Режим «стоп - кадр»	+	+	+	+	4-
Управление по 12С шине	+	+	+	+	4-
Подавление «фликкер»-шума	+	+	+	-	-•
Подавление перекрестных	+	+	+	-	-
помех цвета Цифровой CTI	+	+	+	+	
Режим «кадр в кадре» (PIP)	+	+	-	-	-
Конверсия в прогрессивную развертку	+	+	—	-	
помехой между сигналами У, C7,V реализуются в ИС SAA4940 — PROZONIC (PROgressive scan ZOom and Noise reduction IC). Функции подавления межстрочного мерцания (Lineflicker reduction, LFR), улучшение цветовых переходов (CTI), ограничение пиков яркости (Y-peaking) и ЦАП (DAC) выходных сигналов У, U, V реализуются в ИС SAA7158 — BENDIC (Back End IC - - финишная обработка цифровых видеосигналов).
Контроллер памяти SAA4951 обеспечивает преобразование развертки 50/100 (60/120 для NTSC), может поддерживать прогрессивную развертку с удвоенной строчной частотой. Схема обеспечивает все необходимые сигналы (чтение, запись, синхронизация, управление) для управления различными видами видеопамяти на поле. Кроме того, схема генерирует сигналы для управления мощными каскадами строчной и кадровой разверток, программируется через порт микроконтроллера по 8-битовой шине данных, а управляется по 12С-шине. Поддерживая одно или два поля видеопамяти, схема способна обеспечивать видеоэффекты «стоп-кадра», а также «кадр в кадре» (PIP).
454
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Г л о, в а 18
ЗАПИСЬ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ
18.1.	Общие принципы и особенности магнитной записи телевизионных сигналов
Запись видео- и аудиосигналов внесла большие изменения в технологию ТВ вещания. Телевизионные программы или их фрагменты подготавливают заблаговременно, их можно компоновать и монтировать, что позволяет эффективно использовать комплекс ТВ аппаратуры и осуществлять независимо от времени передачи более равномерную его загрузку.
Запись облегчает труд творческих работников, открывает широкие возможности отбора наиболее удачных кадров, фрагментов и сюжетов. Упрощается репетиционная работа, уменьшается вероятность технического брака, исключается элемент случайности. Кроме того, при современной видеозаписи творческие работники могут использовать в передачах различные художественные приемы подачи видеоматериала, спецэффекты, что увеличивает возможности усиления эмоционального воздействия на зрителя.
Запись ТВ и звуковых сигналов на магнитный носитель базируется на одних и тех же принципах, которые основаны на способности ферромагнитных материалов намагничиваться под действием внешнего магнитного поля, создаваемого видео- или аудиосигналом, и сохранять остаточную намагниченность продолжительное время.
В процессе записи при протекании тока сигнала по обмотке записывающего элемента (магнитной головки) в его сердечнике возникает магнитный поток, силовые линии которого создают рабочее поле, пронизывающее магнитный слой носителя (магнитной ленты). При движении магнитной ленты относительно записывающей магнитной головки электрический сигнал, являющийся функцией тока или напряжения от времени, преобразуется в пространственную последовательность намагниченных участков носителя записи. Таким образом, на носителе записывается информация в виде магнитного следа (сигналограммы).
При воспроизведении сигналограммы остаточная намагниченность ферромагнитного носителя создает внешнее магнитное поле. Вследствие перемещения магнитного носителя с записанной на нем сигналограммой относительно головки происходит обратное преобразование магнитного поля участков носителя в переменную ЭДС, которая индуктируется в обмотке вследствие замыкания через сердечник переменного магнитного потока.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
455
Рис. 18.1. Магнитная головка:
1 — магнитопровод; 2 — технологический зазор; 3 — обмотка; 4 — рабочий зазор; 5 — ферромагнитный слой; б — основа носителя
Запись и воспроизведение могут осуществляться с помощью одной и той же магнитной головки (рис. 18.1). Магнитная головка представляет собой незамкнутый ферромагнитный сердечник 1 с технологическим зазором 2, обмоткой 3 и рабочим зазором 4- Через обмотку 3 проходит ток сигнала. Часть магнитного потока, выходящего из сердечника головки у рабочего зазора, замыкается через немагнитную основу носителя 5, а основная часть потока пронизывает его ферромагнитный слой 5. Изменения тока в обмотке головки связаны с изменением магнитного потока в сердечнике и остаточной намагниченностью магнитного слоя носителя.
К сердечнику головки предъявляются особые требования как по магнитным характеристикам, так и по механическим свойствам: материал сердечника головки должен иметь малое значение коэрцитивной силы, чтобы остаточная намагниченность сердечника была небольшой; сердечник должен обладать высокой магнитной проницаемостью, т.е. малым магнитным сопротивлением, а также иметь малые частотные потери. Материал сердечника должен допускать точную обработку зазора и рабочих поверхностей и при этом быть износостойким.
Потери электрической энергии в сердечниках головок обусловлены гистерезисными потерями и потерями на вихревые токи. Гистерезисные потери малы, так как объем магнитного материала небольшой. Основные потери определяются вихревыми токами. Для уменьшения потерь магнитные головки изготавливают из материалов с высоким удельным сопротивлением (например, из феррита). Рабочий зазор сердечника образован немагнитной прокладкой, обычно в виде тонкого слоя моноокиси кремния, толщиной около 1 мкм.
Качество записи сигнала в значительной степени зависит от свойств и характеристик магнитного носителя. Если в качестве носителя используется магнитная лента, ее магнитные и механические характеристики должны соответствовать определенному набору требований, определяемых стандартом на данный тип видеозаписи. В процессе эксплуатации лента подвергается значительным механиче
456
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
ским нагрузкам, испытывая большое давление, деформацию, поэтому должна удовлетворять высоким прочностным характеристикам. Рабочий магнитный слой должен иметь высокую износо- и термостойкость, обладать большой остаточной намагниченностью для получения высокого отношения сигнал/помеха, большой коэрцитивной силой, чтобы он не размагничивался под действием магнитных полей соседних участков и не испытывал влияния внешних полей на записанную сигналограмму. В технике магнитной видеозаписи применяются двухслойные ленты (см. рис. 18.1), состоящие из рабочего магнитного слоя 5 и основы 6, придающей ленте механическую прочность.
Основа ленты изготавливается из эластичной полиэфирной пленки, отличающейся высокой прочностью на разрыв, износостойкостью и стабильностью характеристик. Толщина основы составляет 8...37 мкм. Рабочий слой состоит из магнитного порошка и связующего материала, который одновременно является лаковым покрытием и обладает кроме высокой износо- и термостойкости еще и гладкостью поверхности. Кроме того, в рабочий слой вводят смазочные вещества, снижающие трение, и астатические добавки. Например, магнитный порошок из гамма-окиси железа имеет игольчатую форму длиной кристалликов не более 0,3...0,5 мкм диаметром примерно 0,03 мкм.
Длина волны записи на магнитном носителе зависит от частоты сигнала записи и скорости движения носителя относительно записывающей головки:
A = v//,	(18.1)
где А — длина волны записи, м; v — скорость движения носитель-элемент записи, м/с; f — частота записанного сигнала, Гц.
Легко подсчитать, что для записи А — 1 мкм на частоте f = — 6 МГц требуемая скорость движения магнитной ленты относительно головки должна составлять 6 м/с, или 360 м/мин. Для продольного, как в звуковом магнитофоне, расположения дорожек записи на ленте, такая скорость транспортировки ленты неприемлема.
Скорость движения ленты может быть снижена, как видно из (18.1), если уменьшить минимальную длину волны записи v — Xf или понизить частоту записываемого сигнала. Минимальную длину волны можно получить уменьшением рабочего зазора магнитной головки а. На практике обычно выполняется условие a/Amin = 0,5 или Amin — Отсюда /тах — v/2a. Следует отметить, что для хорошо выполненных головок эффективная ширина щели превышает ее геометрический размер всего на 10... 15 %. Поэтому можно считать минимальную длину волны записи равной удвоенной ширине зазора головки [77]. Однако технологически трудно реализовать эффективный рабочий зазор столь малой ширины, а уменьшение частоты записываемого сигнала приводит к снижению качества изображения.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
457
Частотные характеристики записывающего и воспроизводящего устройств ограничиваются в нижней и верхней частях частотного диапазона из-за наличия различных потерь. Основными являются волновые потери, которые зависят от магнитных и механических свойств ленты, электрических и конструктивных параметров головок и определяются параметрами узла лента-головка и длиной волны записанного сигнала. К этим потерям относятся щелевые, слойные, контактные.
Если магнитный слой недостаточно тонок или ухудшается плотность соприкосновения головки с лентой, магнитное поле выходит за пределы рабочего зазора а, значительно увеличивая эффективную ширину щели. Это приводит к ухудшению записи высокочастотных составляющих сигнала. Следовательно, магнитный слой ленты должен быть тонким и очень гладким, так как только в этом случае обеспечивается наилучший механический контакт с рабочей поверхностью головки. Плотность прилегания ленты к плоскости головки зависит также и от материала основы ленты. Ленты с тонкой эластичной основой обеспечивают более плотное прилегание к рабочей поверхности головки, чем ленты с толстой основой.
Качество магнитной записи ТВ сигналов в основном определяется мерами по уменьшению волновых потерь. Созданы ленты с топким магнитным слоем, с хорошей однородностью магнитного порошка, с гладкой поверхностью и с эластичной основой. Уменьшение щелевых потерь достигается совершенствован нем тех пологи и изготовления головок с узкими рабочими зазорами.
Важным параметром магнитной записи является частотная характеристика узла лента-головка. Если на магнитную ленту записан синусоидальный сигнал с круговой частотой си, то в идеальной магнитной системе при отсутствии искажений распределение магнитного потока по оси ленты (координата т)
Ф = <>о siii(cj/'u3).T,	(18.2)
где Фо — амплитуда магнитного потока; v3 — скорость перемещения ленты относительно головки при записи.
При обратном преобразовании магнитного поля участков носителя ЭДС, которая индуктируется в витках обмотки головки движущейся магнитной лентой, пропорциональна скорости изменения потока wc/Ф/dt, где w — число витков обмотки головки.
Чтобы продифференцировать выражение (18.2), заменим переменные: вместо изменения магнитного потока по координате х введем изменение сигнала по времени т.е. х — vBt, где vB — скорость перемещения ленты относительно головки при воспроизведении.
При v3 = vB (т.е. скорости записи и воспроизведения одинаковы)
</Ф
Е = -W-— — — Форсеи coscui,	(18.3)
di
458
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.2. Частотная характеристика ленты-головки
где Е — ЭДС, наводимая в обмотке головки.
Если скорость движения ленты относительно головки постоянна, то из (18.3) следует, что ЭДС меняется пропорционально частоте сигнала. При увеличении частоты сигнала в два раза, что соответствует ее повышению на одну октаву, ЭДС также возрастает в два раза (на 6 дБ).
На рис. 18.2 показана идеализированная частотная характеристика узла лента-головка (сплошная линия). Это наклонная прямая с крутизной наклона 6 дБ на октаву. Очевидно, что даже при такой идеализированной форме частотной характеристики возникают искажения ТВ сигнала, которые необходимо корректировать в электрических цепях записи и воспроизведения. Реальная частотная характеристика узла лента-головка, показанная на рис. 18.2 штриховой линией, существенно отличается от идеальной на краях частотного диапазона. В нижней части частотного диапазона искажения обусловлены тем, что магнитный поток сигналограммы в области длин волн, превышающих длину контакта рабочей поверхности головки с лентой, не замыкается полностью через сердечник головки. Значительная его часть рассеивается или замыкается через одну половину сердечника, не пересекая обмотку. Чем больше длина волны записи, тем больше сказываются эти потери.
При записи и воспроизведении сигнала высоких частот неравномерность частотной характеристики ленты-головки обусловливается искажениями вследствие соизмеримости ширины щели головки и длины волны записи. При очень малых длинах волн за время прохождения элемента ленты по всему участку магнитного поля записывающей головки сигнал может измениться и даже переменить полярность. Обратная полярность сигнала приведет к некоторому размагничиванию элемента ленты и снижению эффективности записи высокочастотных составляющих сигнала. При различных соотношениях длины волны записываемого сигнала и рабочей ширины щели при воспроизведении в магнитной головке меняется значение магнитного потока, обусловленное изменением намагниченности носителя по длине. Это вызовет резкую неравномерность частотной характеристики с максимумами и минимумами в области высоких частот.
Отношение частот /max//min телевизионного сигнала определяет отношение Атах/Amin- Если на магнитной ленте записана сиг-налограмма с длиной волны Aniin « 3 мкм, максимальная длина волны записи при /п1ах = 6,5 МГц и fnyny = 50 Гц составит
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
459
Amax = Amin(/max//min) - 3 • 10-6 • 6, 5 • 106/50 « 0,4 м, что при-мерно в 100 раз превышает длину рабочей поверхности головки. Для получения достаточного уровня оптимальным является тот сигнал, длина волны которого не превышает длину рабочей поверхности головки. При определенных значениях низкочастотных составляющих сигнала ЭДС воспроизводящей головки ниже уровня шумов Вш, поэтому полезный сигнал практически полностью маскируется шумами (см. рис. 18.2).
Профессиональные аудиомагнитофоны обеспечивают запись звуковых сигналов в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц, что составляет 10 октав. Телевизионный сигнал занимает полосу частот от 50 Гц до 6,5 МГц, что составляет 17 октав.
Оптимальные режимы записи для сигналов, отличающихся по частоте в 10 раз, существенно различны. Осуществить эффективную запись сигналов в частотном диапазоне, занимающем 17 октав, еще сложнее. Поэтому при записи видеосигнала необходимо уменьшить отношение высшей частоты в спектре записываемого сигнала к низшей, т.е. произвести относительное сжатие спектра. В этом случае условия записи и воспроизведения тем более благоприятны, чем выше степень сжатия. Это объясняется двумя причинами: легче выбрать оптимальный режим намагничивания; при узкополосном сигнале используется относительно меньшая часть АЧХ тракта, и, следовательно, АЧХ тракта в пределах полосы пропускания оказывается более равномерной. При этом отношение сигнал/помеха должно оставаться достаточно высоким во всем диапазоне частот.
Относительное сжатие частотного диапазона обеспечивается переносом (транспонированием) спектра записываемого ТВ сигнала в более высокочастотную область. Очевидно, чем дальше вправо по оси частот перенесен спектр сигнала, тем меньше разница между /тах И /min, т.е. больше относительное сжатие. Однако при этом растет требуемая максимальная частота сигнала записи.
Запись высоких частот представляет собой сложную техническую задачу, поэтому для упрощения и удешевления аппаратуры спектр частот сигнала переносят вверх но оси частот примерно на 1 МГц, что обеспечивает относительное сжатие спектра записываемого сигнала до трех октав.
Транспонировать спектр можно, используя модуляционный метод преобразования. В результате улучшаются условия воспроизведения нижних частот сигнала, сокращается относительный динамический диапазон частот, повышается максимальное значение частоты записываемого сигнала.
Применять амплитудную модуляцию (AM) при записи телевизионных сигналов нецелесообразно несмотря на то, что она позволяет минимально расширить спектр частот (в 2 раза при передаче двух боковых). При AM невозможно устранить паразитную амплитудную модуляцию, возникающую из-за помех. Такими помехами являются:
460
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
непостоянство контакта лента-головка, неоднородность магнитного слоя ленты, продольные колебания ленты и др. [78].
При использовании частотной модуляции (ЧМ) паразитная AM устраняется глубоким ограничением ЧМ сигнала. Однако обычная ЧМ приводит к значительному увеличению спектра частот выходного сигнала. Если, например, использовать параметры ЧМ, применяемые в радиовещании, спектр частот будет шире в 5... 10 раз. Запись на магнитную ленту такого широкого спектра частот — технически сложно реализуемая задача.
При модуляции несущей гармоническим колебанием частотой Q ЧМ колебание можно представить следующим выражением:
Аси
и = U sin(tJo^ + -Q- sin Qi),
где U — амплитуда несущей; cjq — круговая частота несущей; Acj — девиация частоты; Q — модулирующая частота.
Одним из основных параметров ЧМ является индекс модуляции М —	— Af/F, где А/ — девиация частоты; F — мо-
дулирующая частота.
Как известно, при увеличении М растет помехозащищенность системы, поэтому в радиовещании выбирают М 1. В первом приближении ширина спектра ЧМ сигнала АРчм —	+ 1), где
^пах — максимальная частота модулирующего сигнала. Следовательно, выбор большого индекса модуляции М приводит к значительному расширению спектра частот. При модуляции сложным сигналом, какими являются звуковой и ТВ сигналы, индекс модуляции — величина переменная. В магнитной записи ТВ сигналов принято использовать узкополосную ЧМ с индексом модуляции М < 1 и низким отношением несущей частоты /0 к высшей модулирующей частоте Fmax. При этом ширина спектра ЧМ сигнала мало отличается от спектра AM сигнала и примерно равна удвоенной ширине спектра модулирующего колебания. Низкое отношение fo/Fm&x выбирается для уменьшения максимальной частоты спектра записываемого сигнала. Несущая частота применительно к модуляции видеосигналом — понятие, которое трудно определить. В магнитной видеозаписи принято считать частоту ЧМ сигнала, соответствующую мгновенному значению среднего уровня сигнала, несущей частотой /о-
Как видно из рис. 18.3,а, несущая частота fo незначительно выше модулирующей частоты Fmax. При М = 0,1...0,2 спектр ЧМ сигнала имеет вид рис. 18.3,6. В некоторых профессиональных устройствах магнитной записи, где требуется высокое качество воспроизведения, используются обе боковые полосы ЧМ сигнала, а в бытовых — нижняя и частично подавленная верхняя боковая (рис. 18.3,в). Это приводит к дополнительным искажениям, которые считаются допустимыми для данного класса устройств.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
461
Рис. 18.3. Идеализированные спектры ТВ и Рис. 18.4. Преобра-ЧМ сигналов	зование ТВ сигнала в
ЧМ сигнал и его запись на магнитную ленту: а — участок изображения по строке (черно-белый переход); б — осциллограмма видеосигнала; в — осциллограмма ЧМ сигнала; г — результат действия магнитного поля головки
Таким образом, используемая в магнитной видеозаписи частотная модуляция отличается от обычных систем ЧМ двумя основными особенностями:
1)	несущая частота незначительно превышает верхнюю модулирующую частоту;
2)	индекс модуляции значительно меньше, чем в других системах с ЧМ.
Для обеспечения обмена программами частоты, соответствующие определенным уровням ТВ сигнала, стандартизованы. Это нормирование частоты ЧМ сигнала называется расстановкой частот.
Рассмотрим преобразование ТВ сигнала в ЧМ сигнал и его запись на магнитную ленту (рис. 18.4). Объект передачи (рис. 18.4,а), состоящий из протяженных черного и белого участков, преобразуется в ТВ сигнал ис. Далее сигналом ис модулируется генератор, на выходе которого получается ЧМ сигнал ичм, который подается на записывающие головки; Тч и Тб — периоды ЧМ колебаний, соответствующие передаче уровней черного и белого. В результате воздействия магнитного поля головки на ленту она намагничивается, и остаточная намагниченность может быть представлена в виде элементарных магнитов, расположенных по длине ленты (рис. 18.4,г). Магнитная индукция для черного и белого участков одинакова — материал доведен до насыщения. Информация отразилась на ленте в линейной плотности переходов (нулей) намагниченности [79].
462
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
18.2.	Частотные модуляторы и демодуляторы для магнитной записи ТВ сигналов
Преобразование ТВ сигнала в ЧМ сигнал осуществляется в ЧМ генераторах. Магнитная запись сигналов диктует определенные требования к параметрам системы ЧМ. Это малые нелинейные искажения модуляционной характеристики (не более 1...2 %), исключение прямого прохождения модулирующего сигнала в канал ЧМ, небольшое значение паразитной амплитудной модуляции.
В современных устройствах записи используются два вида частотных модуляторов: гетеродинные и прямые.
Гетеродинный модулятор (модулятор с переносом спектра) работает на высокой частоте (50... 100 МГц), которая в последующем понижается другим генератором до требуемой частоты. Прямой модулятор (чаще мультивибратор) работает на той частоте, которая записывается на ленту.
В профессиональных устройствах записи, где требуется высокое качество изображения, используют гетеродинные модуляторы. Структурная схема такого модулятора показана на рис. 18.5,а. На усилитель подается полный ТВ сигнал, который на выходе разветвляется на два одинаковых канала, состоящих из двух высокочастотных генераторов Г1 и Г2 со средними частотами 100 и 108 МГц соответственно. Восстановление постоянной составляющей ТВ сигнала осуществляется с помощью схем ВПС1 и ВПС2. Далее ТВ сигнал подается на варикапы Bi и В2, емкость которых зависит от напряжения. Эта емкость входит в колебательный контур генераторов Г1 и Г2 и определяет генерируемую ими частоту. Варикапы управляются противофазно. При увеличении напряжения на входах генераторов частота одного генератора уменьшается, а другого — повышается. Если входное напряжение равно 0, то частота выходного сигнала равна разности частот /2 — А = 108 - 100 = 8 МГц.
Если крутизна модуляционной характеристики каждого генератора равна 1 МГц/B, то при увеличении напряжения на 0,5 В выходной разностный сигнал будет иметь частоту /2 — Л — 108,5 — 99,5 = = 9 МГц, а при уменьшении сигнала на 0,5 В /2 — /1 — 107,5 —100,5 = = 7 МГц. Следовательно, при ивх = 1 В девиация частоты равна ±1 МГц.
Так как девиация составляет 1,0 % несущей частоты, линейность модуляционной характеристики достаточно высокая, Кроме того, двойная противофазная модуляция двух генераторов позволяет скомпенсировать нелинейные искажения, возникающие в каждом генераторе (рис. 18.5,6).
Для устранения паразитной амплитудной модуляции ЧМ сигнал от каждого генератора поступает на амплитудные ограничители
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
463
Orpi, Огр2, затем на смеситель См, где выделяется разностная частота. Фильтр нижних частот и усилитель необходимы для окончательного формирования ЧМ сигнала.
В бытовых видеомагнитофонах частотные модуляторы чаще всего строят по схеме мультивибратора. Частота собственных колебаний мультивибратора, как известно, зависит от постоянной времени зарядно-разрядной цепи и от напряжения смещения. Если в качестве смещения подать модулирующий сигнал, то мгновенная частота колебаний мультивибратора будет меняться в соответствии с размахом сигнала. Из-за существенных недостатков (нелинейность модуляционной характеристики и др.) ЧМ прямого типа не применяются в профессиональных видеомагнитофонах.
При выборе метода детектирования ЧМ сигнала, воспроизведенного с магнитной ленты, необходимо учитывать, что демодулятор должен обеспечивать: линейную демодуляционную характеристику в широкой полосе частот, возможность разделения спектра модулирующего и модулированного сигналов при модулирующих частотах, близких к несущей. В настоящее время наиболее распространены демодуляторы — дискриминаторы в виде счетчика импульсов с удвоением частоты. Принцип действия такого дискриминатора заключается в выделении нулевых пересечений ЧМ сигнала и в определении частоты повторения этих пересечений. Структурная схема такого демодулятора и графики, поясняющие его работу, показаны на рис. 18.6. Сигнал ЧМ поступает на фильтр ПФ, ограничивающий полосу частот сигнала /7чм- Частотно-модулированное колебание после глубокого двустороннего симметричного ограничения в Огр, где подавляется паразитная AM, примет вид /7огр- После дифференцирующих цепей (ДЦ) в точках пересечения ЧМ сигнала с нулевой осью формируются импульсы /7диф. В формирователе сигнала ФС из диф-
464
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.6. Демодулятор: а — структурная схема; 6 — графики, поясняющие работу
ференцированных импульсов формируются однополярные сигналы с удвоенной частотой £/форм. Число импульсов, приходящих в единицу времени, прямо пропорционально частоте ЧМ сигнала, поэтому, выделив низкочастотную составляющую из этой последовательности импульсов ФНЧ, полоса пропускания которого соответствует полосе частот ТВ сигнала, на выходе получим исходный ТВ сигнал £/тв-
18.3.	Методы магнитной записи телевизионных сигналов
Общие сведения. Наиболее распространенным в настоящее время является метод наклонно-строчной магнитной записи телевизионных сигналов на магнитную ленту блоком вращающихся магнитных головок, обеспечивающий высокую скорость перемещения ленты относительно записывающей (воспроизводящей) головки. Видеомагнитофоны — устройства, обеспечивающие запись телевизионных сигналов на магнитную ленту и воспроизведение телевизионных изображений, — могут строиться по различным схемам, в зависимости от назначения. Современный видеомагнитофон представляет собой сочетание сложного механического и электронного устройств. В него входят: механизмы транспортировки ленты и вращения головок, которые работают одновременно и синхронно, что обеспечивается различными по принципу действия следящими системами; блоки преобразования и обработки широкополосного видеосигнала, устройства различных видов коррекции и устранения влияния помех на выходной сигнал.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
465
Техника магнитной записи обеспечивает запись-воспроизведение сигналов с длиной волны Ainin = 1 мкм и менее. Для записи телевизионного сигнала с высшей частотой /тах = 6 МГц потребуется скорость записи и3 — /тахА = 6 м/с. Транспортировка магнитной ленты с такой скоростью при продольном, как в аудиомагнитофоне, расположении дорожек записи нецелесообразна из-за сложности реализации, нерационального использования площади пленки (низка плотность записи) и большого расхода ленты.
Решающим шагом в развитии техники магнитной записи телевизионных сигналов явилось создание аппаратуры, использующей методы поперечно-строчной и наклонно-строчной записи. При этом и запись, и воспроизведение осуществляются головками, которые располагаются на вращающемся диске. Следовательно, скорость перемещения ленты-головки г/л_г определяется геометрической суммой окружной линейной скорости вращения головки vr и скорости поступательного движения ленты г>л: г>л_г = vr + ДпСоз0, а колебания относительной скорости Дт;л_г определяются как сумма двух составляющих колебаний скорости:
ДДл-г « Дт?г ± Ддп cos 0,	(18.4)
где 0 — угол наклона строчки записи, или угол между векторами скорости vr и ул.
Первоначально при'поперечно-строчной записи использовался блок видеоголовок (БВГ) с четырьмя магнитными головками. В настоящее время при повсеместном использовании принципа наклоннострочной записи БВГ могут содержать две, четыре, шесть (а в цифровых видеомагнитофонах и большее число) вращающихся головок. Название метода записи — «поперечно-строчный» или «наклоннострочный» — определяется расположением магнитных строчек на ленте. Если строчки записи располагаются почти перпендикулярно основанию ленты, запись называется поперечно-строчной, если же строчки записи образуют с нижним краем ленты небольшой угол, запись называется наклонно-строчной. Принцип поперечно-строчной и наклонно-строчной записи показан на рис. 18.7.
В устройствах с поперечно-строчной записью (рис. 18.7,а) плоскость ленты 2 перпендикулярна вращающемуся диску 4 с четырьмя головками 3. В том месте, где головки соприкасаются с поверхностью ленты, она изгибается с помощью вакуумной направляющей камеры 1.
Соприкасаясь с лентой и передвигаясь в поперечном направлении относительно нее, головка оставляет магнитный след в виде вертикальной магнитной строчки. Так как лента движется в продольном направлении, то следующая головка приходит в контакт с ней на некотором расстоянии от предыдущей магнитной строчки, образуя таким образом последовательность магнитных строчек, расположенных под углом 90°33' относительно края ленты.
466
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Аппаратура наклонно-строчной записи (рис. 18.7,6) с двумя вращающимися головками содержит направляющий барабан 6, состоящий из двух частей, между которыми вращается диск с головками 3. Головки выступают над поверхностью барабана и записывают строчки на ленте. Головки сдвинуты относительно друг друга на 180°. Лента может охватывать барабан на угол 360° (а-петля, рис. 18.7,6) и меньше 360° (fi-петля, рис. 18.7,в). В результате того, что диск с головкой вращается в горизонтальной плоскости, а лента охватывает направляющий барабан по спирали (лента входит в контакт с направляющим барабаном на одном уровне, а выходит на другом), сигнало-грамма на магнитной ленте 5 записывается наклонно к краю ленты.
На магнитной ленте кроме сигналов изображения записываются еще и сигналы звукового сопровождения, сигналы управления и режиссерских указаний. В видеомагнитофонах разных стандартов эти сигналы записываются различными методами и в различных местах ленты.
Однозначно определить метод записи и расположения дорожек на магнитной ленте позволяет формат записи, который регламентирует упорядоченное расположение на поверхности ленты строчек и дорожек, намагниченных под действием разнообразных сигналов.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
467
Описание формата и его параметров позволяет понять, каким образом производится запись или воспроизведение информации. Стандартизация параметров записи обеспечивает взаимозаменяемость записей, изготовленных различными фирмами, и делает возможным их воспроизведение на различных видеомагнитофонах данного формата. Это позволяет осуществлять обмен телевизионными программами.
За время развития магнитной видеозаписи было разработано большое количество разнообразных аналоговых и цифровых форматов [80]. Метод поперечно-строчной магнитной записи (формат Q) устарел и в настоящее время практически не применяется из-за сложности и громоздкости аппаратуры. Ему на смену пришли новые наклонно-строчные форматы на ленте различной ширины (25,4; 19,01; 12,65; 8,0; 6,35 мм).
Принцип действия наклонно-строчной записи для одноголовочного видеомагнитофона с а-петлей иллюстрируется рис. 18.7,6. Поверхность неподвижного барабана облегает по спирали равномерно движущаяся магнитная лента шириной 25,4 мм. Смещение ленты по образующей барабана не меньше ширины ленты. Во избежание чрезмерных поперечных усилий на лепту и для придания ей естественного положения направляющий барабан несколько наклонен, а подающая и приемная бобины устанавливаются на разных высотах. Барабан состоит из двух частей — верхней и нижней. В зазоре между ними расположен вращающийся диск с магнитной головкой. Двигатель внутри барабана вращает выступающую над поверхностью барабана магнитную головку с частотой 3000 об/мин (число оборотов связано с числом полей) и прочерчивает на ленте прилегающие друг к другу наклонные дорожки длиной около 400 мм под углом 3...50 относительно края ленты. За один оборот диска с головкой на магнитной ленте записывается один полукадр. При этом относительная скорость г>л_г достигает 40 м/с, а скорость движения ленты около 40 см/с.
Звуковой и контрольный сигналы записываются на краях магнитной ленты. Перекрытие дорожки ТВ сигнала дорожками звукового и контрольного сигналов не приводит к взаимным искажениям, так как края ленты, где записываются звуковой и контрольный сигналы, соответствуют месту записи кадрового гасящего импульса, т.е. обратному ходу по кадрам. Проникновение же ТВ сигнала в канал звука исключается из-за различной полосы частот этих сигналов и различного углового расположения зазоров магнитных дорожек. Благодаря этим обстоятельствам взаимное влияние сигналов значительно ослаблено.
Переход головки от одного края ленты к другому приводит к провалу в записи. При использовании одной головки неизбежно часть информации, достигающая во времени 40...50 мкс, теряется. Чтобы исключить искажения от этих явлений, время перехода головки обычно совмещают с длительностью кадрового гасящего импульса.
468
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.8. Формат записи С (ширина ленты 25,4 мм)
При этом потерянные импульсы восстанавливаются с помощью специального регенератора.
Аналогичен принцип действия одноголовочного видеомагнитофона с Q-петлей (см. рис. 18.7,в): магнитная лента облегает барабан по спирали на угол меньше 360°. Нижний край ленты, покидающий барабан, располагается несколько ниже верхнего края ленты, поступающей на него. Обычно угол охвата барабана лентой не превышает 350°. Это приводит к выпадению сигнала при переходе видеоголовки с одного края ленты на другой. Углу 10° соответствует выпадение примерно восьми строк (около 500 мкс). Восстановление потерянных строк, приходящихся на первый гасящий импульс, осуществляется аналогично описанному выше.
Видеомагнитофон наклонно-строчной записи с двумя вращающимися головками с Q-петлей устроен так же, как и одноголовочный, но на вращающемся диске размещаются две магнитные головки, а угол охвата барабана лентой составляет несколько больше 180°, образуя неполный виток спирали.
На одной магнитной дорожке записывается одно ТВ поле, поэтому частота вращения диска с головками для стандарта 50 полей в секунду должна быть 1500 об/мин. Так как угол охвата больше чем 180°, информация на смежных магнитных дорожках записывается с взаимным перекрытием, а воспроизводится непрерывно, без потерь.
При записи по формату С применялся одноголовочный, или так называемый «полутораголовочный» способ записи. Видеомагнитофоны, использующие формат С, записывали сигнал на ленту шириной 25,4 мм. Применялись такие видеомагнитофоны, разработанные фирмами Ашрех (США) и Sony (Япония), на телецентрах, в том числе и в России («Кадр-103»).
На рис. 18.8 изображен формат записи С одноголовочных и полутораголовочных видеомагнитофонов. Магнитные дорожки 1 и 2 являются дорожками звукового канала; дорожка 3 — каналом управления (на ней записываются управляющие и монтажные импульсы); дорожка 4 — дополнительная дорожка звукового канала, если
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
469
Рис. 18.9. Схема расположения вок на барабане (формат записи 1-6 — головки; угол у = 30°; угол /3
на ней не записываются сигналы кадровой синхронизации (показано на рисунке), которые выпали из видеосигнала в результате перерыва в записи. Одна вращающаяся видеоголовка записывает наклонную строчку (угол 2°337) длиной 411,5 мм, на которой размещается активная часть поля и большая часть гасящего кадрового импульса. Остальная часть кадрового гасящего импульса (10,5 ТВ строк) записывается на коротких наклонных строчках второй вращающейся головкой (синхроголовкой).
В одноголовочной системе записи часть видеосигнала (кадровые синхронизирующие импульсы) пропадает, так как переход от верхнего края ленты к нижнему не происходит мгновенно, а требует определенного времени. Часть потерянного сигнала восстанавливается электронным способом. Во время перехода головки от одного края к другому генерируются кадровые синхронизирующие импульсы, которые замешиваются с сигналом, воспроизводимым с ленты.
Барабан диаметром 135 мм вращается с частотой 3000 об/мин. На этом барабане располагаются шесть головок, из них одна — головка записи-воспроизведения и пять вспомогательных. На рис. 18.9 показана схема расположения головок на барабане в полутораголовочном видеомагнитофоне: 1 — головка записи-воспроизведения ТВ сигнала, 2 — головка записи-воспроизведения кадрового синхроимпульса. Если работа производится в режиме одноголовочного видеомагнитофона, то этой головки может и не быть. Тогда на ленте вместо кадровых синхронизирующих импульсов располагается дополнительная звуковая дорожка. Головки 5 и 6 контрольного воспроизведения видеосигнала и синхросигнала позволяют мгновенно воспроизводить запись и контролировать качество изображения. Головки 3 и 4 — стирающие — обеспечивают стирание строчек записи ТВ сигнала и синхросигнала в режиме монтажа.
Видеомагнитофоны с наклонно-строчной записью имеют более высокую плотность записи, чем с поперечно-строчной; кроме того, они свободны от присущих четырехголовочным видеомагнитофонам формата Q искажений, вызываемых сегментным способом записи и коммутацией головок в активной части поля, что приводит к «поло-
470
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
сатости» изображения из-за неидентичности характеристик вращающихся магнитных головок.
Основной недостаток видеомагнитофонов формата С — большая длина магнитной строчки наклонно-строчной записи. Такие видеомагнитофоны чрезвычайно чувствительны к поперечным колебаниям ленты, неравномерности ее натяжения по ширине и значительной деформации, вследствие трения о поверхность цилиндра. Неравномерность движения ленты влияет на расстояние между магнитными строчками записи. В результате понижается точность следования головок по магнитным строчкам при воспроизведении, что приводит к ухудшению отношения сигнал/помеха и к перекрестным искажениям сигнала. Для устранения этих недостатков применяются специальные меры.
Уменьшить перекрестные искажения между соседними магнитными дорожками при существующих параметрах записи можно определенным расположением магнитных строчек. Как известно, перекрестные искажения ЧМ сигналов пропорциональны разности частот полезного и мешающего сигналов. Чем меньше разность между частотами, тем меньше воздействие соседней мешающей строчки. Оптимально такое расположение двух смежных магнитных дорожек, при котором синхронизирующие импульсы строк перпендикулярны оси магнитной дорожки на одной линии (рис. 18.10,а). Это достигается выбором скорости движения магнитной ленты и соответствующим подбором диаметра направляющего барабана, обеспечивающим позиционное расположение записанных на магнитной ленте строчных синхронизирующих импульсов по линиям, близким к перпендикулярным направлениям дорожек записи. При таком расположении строчек на магнитной ленте сигналы, записанные рядом на соседних дорожках, имеют большую корреляцию. Следовательно, разностная частота между идентичными точками на соседних строчках минимальна и мешающее действие помехи незначительно. Кроме этого, частичный переход головки с данной магнитной дорожки на соседнюю не приводит к сбою синхронизации. Этот метод получил название строчной или Н-корреляции.
Следующим мероприятием, позволяющим снизить взаимные помехи от соседних магнитных дорожек, является использование специальной системы автоматического слежения за положением головки на записанной дорожке (автотрекинг). Для этого головка устанавливается на пьезокерамический элемент, на который подается сигнал управления, перемещающий головку по ширине ленты в некоторых пределах.
Одним из основных преимуществ наклонно-строчной записи является возможность замедленного воспроизведения или остановки кадра (стоп-кадр). Многократное воспроизведение одного и того же поля, записанного на одной и той же магнитной дорожке, дает эффект замедления или остановки темпа движения изображения. Это
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
471
б)
Рис. 18.10. Строчные импульсы на соседних дорожках:
а — оптимальное положение; 6— пунктиром показана траектория движения магнитной строчки при неподвижной ленте (1 — дорожка записи звука; 2 — строчка записи ТВ сигнала; 3 — дорожка записи управляющего сигнала)
достигается замедлением движения или остановкой ленты при сохранении частоты вращения видеоголовок. Однако следует учитывать, что при замедлении или остановке движения ленты угол наклона траектории движения головки по ленте несколько изменяется и вследствие этого траектории, по которым движется головка по ленте, имеют несколько большую протяженность. На рис. 18.10,^сплошными линиями показаны магнитные дорожки при движении ленты, а штриховыми — траектория головки при остановленной ленте.
Длина магнитной дорожки может быть уменьшена записью на ней не целого ТВ поля, а части его. Стремление сохранить преимущества и устранить недостатки наклонно-строчной записи привело к разработке промежуточного этапа записи — наклонно-строчной записи части поля двумя головками. Такой метод получил название сегментного. Это позволило при записи двумя головками уменьшить длину магнитной дорожки и размеры диска с головками пропорционально числу сегментов. При этом следует увеличить число оборотов диска также пропорционально числу сегментов.
В видеомагнитофонах с сегментной записью (формата В) угол охвата лентой барабана с двумя вращающимися головками несколько больше 180°. Диск с двумя головками вращается с частотой 9000 об/мин. Метод увеличения частоты вращения диска с головками по сравнению с аналогичным методом наклонно-строчной записи приводит к уменьшению длины магнитной дорожки в шесть раз, а также к разбивке телевизионного поля на шесть сегментов. Из этого следует, что при стандарте 625 строк/50 полей на одной магнитной дорожке записываются 52 телевизионные строки. Относительная скорость перемещения лента-головка в сегментных видеомагнитофонах колеблется от 24 до 38 м/с, а скорость движения ленты — от 20 до 25 см/с.
472
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Направление движения ленты
0,8	0,95
Рис. 18.11. Формат записи В (ширина ленты 25,4 мм)
Магнитная дорожка имеет длину 60...85 мм и записывается под углом 14... 19° к базовому краю ленты, в зависимости от параметров записи и ширины магнитного носителя. Сигналы звукового сопровождения и управления записываются по краям ленты.
Видеомагнитофоны, использующие формат В (с сегментной записью), разработаны фирмой Bosch. На диске располагаются две универсальные головки записи-воспроизведения под углом 180° и две стирающие головки, которые используются при электронном монтаже программ. Формат В предусматривает запись двух дорожек с звуковым сопровождением 1 и 3 (рис. 18.11). Дорожка 2 предусмотрена для записи сигналов управления и монтажных импульсов, а дорожка 4 — для записи режиссерских указаний или временного кода. На всей длине дорожки записи сигналов изображения 85,13 мм размещается сигнал 56 телевизионных строк, т.е. имеется перекрытие в записи около 4 строк (по номиналу должно быть 52 строки). Это позволяет записать полное ТВ поле вместе с кадровым импульсом и своевременно произвести переключение головок. Одна ТВ строка размещается на 1,52 мм длины магнитной дорожки. Площадь ленты, занимаемая одним полем, в данной системе равна 102,1 мм2. Недостатком сегментного метода записи является возможность появления полос на изображении, аналогично записи на четырехголовочном видеомагнитофоне формата Q, из-за неидентичности характеристик магнитных головок. Сегментные видеомагнитофоны не могут обеспечить ускоренное или замедленное воспроизведение изображения или режим «стоп-кадр» без использования блока памяти на один кадр.
Рассмотренные видеомагнитофоны аналоговых форматов записывали полный цветовой композитный сигнал. Видеомагнитофоны форматов Betacam, Betacam SP (Superior Performance — повышенное качество, рис. 18.12), которые до сих пор широко применяются в профессиональном видеопроизводстве (на телецентрах, в видеостудиях), используют для записи компонентный сигнал. В отличие от композитного сигнала, формируемого в совместимых системах цветного телевидения SECAM, PAL, NTSC, компонентный сигнал имеет суще-
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
473
Рис. 18.12. Видеомагнитофон Betacam SP
ственное преимущество, заключающееся в отсутствии перекрестных искажений цветность-яркость и яркость-цветность, так как сигналы цветности и яркости передаются не в общей полосе частот, а раздельно. Композитный сигнал подвержен значительным перекрестным искажениям сигналов.
В видеомагнитофонах форматов Betacam, Betacam SP яркостный и цветоразностные сигналы записываются раздельно, двумя головками на двух магнитных дорожках (рис. 18.13,а). По краям ленты сверху записываются дорожки звукового сопровождения 1, 2. а внизу — дорожки управления 4 и временного кода 5. В средней части ленты наклонными магнитными дорожками записываются яркостный и цветоразностные сигналы. Ширина видеодорожек равна 0,08 мм, по длине записывается одно поле ТВ изображения. Две продольные звуковые дорожки имеют ширину 0,6 мм. Нижние продольные дорожки — одна управления шириной 0,4 мм, другая — дорожка временного кода шириной 0,5 мм, используются для монтажа ТВ программ. Магнитная лента размещается в кассете, ширина ленты 12,7 мм. Скорость движения ленты 10.15 см/с. Расположение видео и стирающих головок на барабане видеомагнитофона показано на рис 18.13,д’. Как видно из рисунка, головки записи смещены на угол 6,76°.
Цветоразностные сигналы записываются на магнитную ленту последовательно, с временным уплотнением. Принцип временного уплотнения цветоразностных сигналов показан па рис. 18.14. Для примера взят сигнал генератора цветных полос. Как видно из рисунка, яркостный сигнал занимает полный период строчной развертки ТСТр. а цветоразностные сигналы и Ев-у — по половине периода строчной развертки. Для пояснения процесса записи и воспроизведения компонентного сигнала обратимся к рис. 18.15,а и б. На этом рисунке показано положение сигнала яркости Еу и цветоразностных Er-у, Ев-у сигналов до уплотнения и цветоразностных сигналов после задержки на длительность одной строки и временного уплотнения в процессе записи. Для записи цветоразностных сигналов с временным уплотнением необходимо эти сигналы,
474
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
1
2
4
5
Видеодорожки сигнала яркости
Видеодорожки сигналов
цветности
Направление движения
ленты
а?
Рис. 18.14. Временное уплотнение R - Y, В - Y (сигнал генератора цветных полос)
Рис. 18.13. Формат записи системы Betacam (а) и расположение головок на барабане (6)
как показано на рис. 18.15,а, задержать на длительность строки, а затем провести уплотнение их во времени. При воспроизведении (рис. 18.15,6) необходимо еще раз задержать на длительность строки цветоразностные сигналы, чтобы затем можно было совместить их по времени с яркостным сигналом. Следовательно, общее время
['ЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
475
Яркостный сигнал У на входе
с т р	/(ГР	Тетр
		
Уп	1	^'п + 2
Цветоразностный
сигнал (R — У) на входе	1 (Н-У)п	(В-У),1+1	(B-Y)n+2	|
1/2Тс Сигналы			Ь 1/2Гстр>		
(К-У) и (В-У) после уплотнения Цветоразностный сигнал (В — У)	(Я-У)п_! (В-У)п_!	(К-У)„ (В—У)п	(Я-У)„+1 (В-У)п-ц
			
	(В-У)„	(В-Пп+1	| (В - У)п+2	|
а)
Яркостный сигнал У
Восстановленный сигнал (R — У)
Уплотненные цветоразностные сигналы
Восстановленный сигнал (В — У) на входе
Тетр
Тетр
		
Уп	Уп+1	У п+2
(Я-У)п I (Я-У)п+1 I (Я-У)п+г
(R-Y)n-i (B-Y^	(R-Y)n | (В-У)„	(R-)п+1 (^-V)n+l|
		
|	(B—Y)n	(в-Пп+i	(В-У)п+2
б)
Кус яркостного сигнала
— Уровень синхроимпульсов 6,8 МГц
— Уровень гасящих импульсов 7,4 МГц
— Максимальный уровень белого 8,8 МГц
2,0 МГц
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 /, МГц
Кус сигнала цветности (Я-У,В-У)
— Максимум позитивного сигнала 5,6 МГц
— Уровень гасящих импульсов 6,1 МГц
— Минимум негативного сигнала 6,6 МГц
— Уровень синхросигнала 7,3 МГц
1	2	3	4	5
6	7	8	9	10 11 12 f, МГц
в)
Рис. 18.15. Временные диаграммы компонентной записи (а) и временные диаграммы при воспроизведении компонентных сигналов (6); частотная характеристика формата Betacam SP (в)
476
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
задержки цветоразностных сигналов относительно сигнала яркости составит длительность двух строк. Для компенсации времени задержки необходимо использовать линию задержки в канале Y на две строки, которая обеспечивает достаточно высокую (±10 нс) точность временного положения сигналов яркости и цветности после уплотнения и восстановления.
Раздельная запись сигналов яркости и цветности и временное уплотнение цветоразностных сигналов полностью устраняют перекрестные искажения между сигналами и позволяют обеспечить полосу частот каждого из цветоразностных сигналов 1,5 МГц (в некоторых образцах и больше) — в два раза шире, чем в бытовой видеозаписи.
На рис. 18.15,6 для примера показаны частотные характеристики видеомагнитофона формата Betacam SP-2000 PRO. Видеомагнитофон записывает и воспроизводит сигнал яркости в полосе частот 5,5 МГц, а цветоразностные сигналы — в полосе 1,5 МГц. В отличие от базовой модели Betacam видеомагнитофоны формата Betacam-SP характерны тем, что в базовом Betacam девиация частоты составляет 4,4 МГц для вершины синхроимпульсов и 6,4 МГц для пика белого, а для Betacam-SP, от 5,7 до 7,7 МГц соответственно, а в последних моделях — от 6,8 до 8,8 МГц. Ширина дорожек на видеоленте осталась неизменной. Частотные диапазоны видеосигналов для улучшения качества записи и воспроизведения увеличены, но не настолько, чтобы исключить возможность совместимости. Форматы Betacam и Betacam-SP совместимы «вниз», т.е. видеомагнитофоны Betacam-SP могут читать и воспроизводить видеокассеты формата Betacam.
На рис. 18.16,а изображена укрупненная структурная схема узла обработки и записи видеомагнитофона системы Betacam, поясняющая принцип его работы. На вход видеомагнитофона от датчика сигналов цветного телевидения подаются сигналы яркости Еу. два цветоразностных сигнала Er-y, Eb-y и сигналы синхронизации. Сигналы Er-y и Eb-y поступают в устройство временного уплотнения 1. В этом устройстве каждый сигнал записывается в блоке оперативной памяти за 64 мкс. Во время следующих 64 мкс сигнал, записанный в блоке памяти, считывается с удвоенной скоростью. Через смеситель 2 эти сигналы поступают на модулятор 3 и усилитель записи 4 и на видеоголовки 5. Сигнал яркости поступает на смеситель 6. куда вводятся сигналы синхронизации от синхрогенератора 7. Далее яркостный сигнал после модуляции в модуляторе 8 поступает на усилители записи 9 и видеоголовки 10.
Укрупненная структурная схема воспроизводящего узла системы Betacam показана на рис. 18.16,6. С двух видеоголовок, воспроизводящих сигналы яркости, и двух головок, воспроизводящих цветоразностные сигналы 1 подаются на соответствующие усилители воспроизведения 2, а потом на демодуляторы 3. После демодуляции сигналы поступают на селекторы сигналов 4 и генераторы тактовых
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
477
Яркостный сигнал Y
R-Y
б)
Рис. 18.16. Укрупненная схема узла обработки и записи системы Betacam (а) и укрупненная схема воспроизводящего узла системы Betacam (6)
импульсов 5, а затем на устройство 6, где они фазируются, а сигналы цветности расширяются во времени в 2 раза и подаются на выход компонентных сигналов Еу, Е^_у и Eb-y- Для получения композитного сигнала цветоразностные сигналы Eb-y и Eb-y подаются на кодирующее устройство 8 и смешиваются с сигналом яркости в смесителе 7. Для синхронизации с внешним источником контрольный видеосигнал поступает на синхрогенератор Р, который вырабатывает необходимые импульсы для синхронной работы видеомагнитофона.
Широко распространена аппаратура видеожурналистики (ВЖ), представляющая собой моноблок, где конструктивно объединены портативная телевизионная камера и кассетный видеомагнитофон с автономным электропитанием. Такие моноблочные комплексы называются видеокамерами, а в иностранной литературе — камкордерами. Они позволяют вести съемку одному оператору, оперативно перемещаясь, не ограничивая себя длиной кабеля, соединяющего телевизионную камеру с аппаратурой. Иногда портативный видеомагнитофон вынесен в отдельный блок. Тогда он соединен с камерой кабелем.
В настоящее время разработано большое число различных камкордеров, выпускаемых множеством фирм. Разработчики видеооборудования создают мобильные видеосистемы, в которые кроме видеокамеры входят также записывающие и воспроизводящие видеомагнитофоны, пульты электронного монтажа видеофонограмм и адаптеры для совместимой работы видеокамер с существующим оборудованием видеостудии или телецентра, использующего другие форматы запи
478
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
си. Мобильные видеосистемы и широкая номенклатура видеокамер существенно расширяют технологические возможности использования оборудования различных форматов видеозаписи для видеожурналистики, а также для подготовки репортажей, студийных и внестудийных ТВ передач.
18.4.	Обработка воспроизводимых сигналов
Общие сведения. Полный ТВ сигнал в процессе его формирования каналом изображения видеомагнитофона подвергается дополнительной коррекции. Это объясняется тем, что при записи и воспроизведении ТВ сигнал в значительной мере искажается. В профессиональных видеомагнитофонах, предназначенных для ТВ вещания, необходимо добиться идентичности параметров входных и выходных сигналов. Качество ТВ и аудиосигналов, воспроизводимых видеомагнитофоном, не должно отличаться от студийного сигнала, формируемого оборудованием прямого эфира. В бытовых и репортажных видеокамерах и видеомагнитофонах требования к качеству сигналов менее жесткие и определяются их назначением и стоимостью.
Основные искажения, которые необходимо корректировать для формирования полного ТВ сигнала, пригодного для вещания, это искажения временного масштаба, выпадение сигнала, искажения синхронизирующих и гасящих импульсов. Искажения корректируются в специальных устройствах, которые выделяются в систему обработки воспроизводимого сигнала. В профессиональных видеомагнитофонах система обработки сигнала составляет значительную часть всех его электронных устройств, в которых широко используется цифровая техника, позволяющая эффективнее корректировать сигнал и обеспечивать более надежные условия эксплуатации.
Структурная схема обработки сигналов показана на рис. 18.17. Телевизионный сигнал поступает в компенсатор выпадения (КВ). В нем воспроизводятся сигналы, пропущенные из-за дефекта ленты. Для определения точного местоположения пропущенного сигнала на КВ поступает управляющий и воспроизведенный-ЧМ сигналы. Корректор временных искажений (КВИ) содержит управляемую линию задержки, изменением времени задержки которой осуществляется коррекция временных искажений ТВ сигнала. Управляются линии задержки опорными синхронизирующими импульсами.
Вход ЧМ сигнала
Рис. 18.17. Структурная схема устройства обработки сигнала видеомагнитофона
сигнала
ССИ о--
Вход управляющего
ТВ сигнал сиТТги 4бр]
Полный

ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
479
Информация о величине временных искажений получается с помощью фазового детектора, в котором сравниваются по фазе строчные импульсы, выделенные из воспроизведенного сигнала, с опорным сигналом (ССИ). Скорректированный во времени телевизионный сигнал поступает на сумматор Е, где формируется полный ТВ сигнал. На сумматор S из блока регенерации (БР) поступают гасящие и синхронизирующие импульсы. В БР регенерируются новые неискаженные импульсы гашения и синхронизации и тем самым исключается воздействие импульсных и флуктуационных помех на качество синхронизации. Эти помехи могут возникнуть в процессе переключения головок, демодуляции, коррекции временных искажений и др. Для формирования новых импульсов в БР поступают воспроизведенные гасящие и синхронизирующие импульсы и опорные импульсы.
Компенсатор выпадений. В магнитной записи выпадениями ТВ сигналов называют значительное уменьшение уровня или пропадание воспроизводимого ЧМ сигнала. Выпадения ТВ сигнала обычно возникают из-за дефектов магнитного покрытия ленты или в результате нарушения контакта ленты-головки, а также из-за паразитной амплитудной модуляции ЧМ сигнала. Посторонние включения в магнитный слой ленты, осыпания или отслаивания небольших участков магнитного слоя, царапины и вмятины приводят к резкому уменьшению уровня воспроизводимого ЧМ сигнала. Он становится соизмеримым с уровнем шумов, вследствие эгого выпадения заметны на экранах телевизоров. Можно разделить выпадения на случайные и синхронные. Первые возникают хаотически, они небольшой длительности; вторые — периодические и вызываются продольными царапинами ленты.
Выпадения сигнала визуально наблюдаются в виде черных или белых точек и штрихов различной длительности, появляющихся на экране. Синхронные выпадения наиболее заметны, поэтому более неприятны, так как они неподвижны относительно изображения, т.е. возникают в одном и том же месте экрана. На цветных изображениях действие помехи, вызванное выпадением, значительно заметнее, так как эти участки изображения окрашиваются в произвольный цвет. Незначительные выпадения сигналов, обусловленные дефектами или нарушением магнитного слоя ленты, могут быть скорректированы. Для этого все видеомагнитофоны снабжаются компенсаторами выпадения сигнала.
Принцип действия компенсатора выпадений заключается в замещении информации выпавшей строки ТВ сигналом предыдущей строки. Из-за того, что между соседними строками ТВ изображения в преобладающем большинстве случаев имеется большая корреляция, замена одной строки соседней не приводит к заметным для зрителя искажениям.
Существует несколько методов компенсации выпадений сигналов, отличающихся как по формированию замещающего сигнала, так
480
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Нечетное поле
Er-yEb-YEr-y Eb-y Er-y 0°	0°	180°	0° . 0° t
Четное поле
E R— Y Eq - Y Er- Y ^B-YER-Y^ 180° 180°	0°	180° 180° t
6)
Рис. 18.18. Компенсатор выпадения ТВ сигнала:
а — структурная схема; 6— чередование цветных сигналов и фазы поднесущей в системе SECAM
и по методу управления. Любой компенсатор выпадений сигнала должен обеспечить выполнение следующих задач: точное определение момента начала и конца участка ленты, где произошло выпадение сигнала; коммутацию прямого сигнала на замещающий и наоборот; формирование замещающего сигнала; обеспечение идентичности фазы поднесущей сигнала цветности замещающего и прямого сигналов. В компенсаторах выпадений сигнала должно быть устройство задержки на строку, которое обеспечивает замещение искаженной строки предыдущей, неискаженной. Один из вариантов структурной схемы компенсатора выпадений показан на рис. 18.18,а.
Отличительными особенностями данного компенсатора являются использование ультразвуковых линий задержки и раздельная задержка сигналов яркости и цветности. На электронный коммутатор 4 поступает воспроизводимый ТВ сигнал. Если нет выпадения, то сигнал проходит через коммутатор и поступает на выход компенсатора. На другой вход поступает замещающий сигнал, который через электронный коммутатор пройдет на выход только в момент выпадения сигнала. Наличие выпадения определяется следующим образом: на вход амплитудного ограничителя 1 подается воспроизводимый ЧМ сигнал. Если уровень воспроизводимого ЧМ сигнала падает ниже заданного уровня ограничения, то на выходе амплитудного детектора 2 появляется сигнал, который через цепи формирования 3 переключает коммутатор 4 на вход замещающего сигнала. Так как в компенсаторе производится раздельная задержка сигналов яркости и цветности, замещающий сигнал формируется двумя цепями. На повышающий конвертор 8 поступает яркостный сигнал, который с помощью гетеродина 9 переносится в область рабочих частот линии задержки (ЛЗ) на 64 мкс 7. Частота гетеродина выбирается около середины верхнего склона полосы пропускания линии задержки. Линия задержки пропускает часть нижней боковой полосы спектра сигнала яркости Еу. После понижающего частотного преобразования в блоке6 яркостный сигнал поступает на сумматор 5.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
481
Рассмотрим компенсацию выпадений в канале цветности SECAM. Сигнал цветности Ец обычно формируется двумя последовательно включенными ЛЗ по 64 мкс каждая или одной 12 на 128 мкс. Задержка сигналов цветности на длительность двух строк в системе SECAM необходима, так как только в этом случае формируются идентичные цветоразностные сигналы. Однако фаза поднесущей сигнала цветности может отличаться на 180° в результате принятого в системе SECAM трехстрочного чередования фазы поднесущей (рис. 18.18,5). Фазовые скачки поднесущей в момент компенсации выпадений могут привести к заметным искажениям. Чтобы фазы поднесущих в прямом и замещающем сигналах сделать одинаковыми, применяют коммутируемый фазовращатель 10. Фазовое соотношение между поднесущей прямого и задержанного сигналов определяется фазовым детектором 11. При совпадении фазы фазовращатель 10 включается в положение 0°, а при расхождении — в положение 180°.
Сигнал цветности, задержанный на длительность двух строк и скорректированный по фазе, поступает на сумматор 5, где образуется замещающий полный ТВ сигнал.
Из структурной схемы видно, что замещающий сигнал может циркулировать некоторое время с выхода на вход компенсатора, благодаря чему могут быть скомпенсированы выпадения длительностью более одной строки.
Принцип действия компенсаторов выпадения для систем цветного телевидения NTSC и PAL идентичен описанному, за исключением особенностей формирования замещающего сигнала цветности.
Прецизионное изготовление узлов видеомагнитофона и точность механических регулировок позволяет уменьшить временные искажения. Однако в процессе эксплуатации меняются условия работы (температура, влажность и др.), и первоначальные регулировки могут быть нарушены.
Для коррекции геометрических и других видов временных искажений, вызванных, например, качанием двигателя головок, широко применяются электронные методы коррекции. Они основаны на принципе изменения задержки воспроизводимого сигнала таким образом, чтобы исключить временные смещения сигнала относительно опорного, т.е. время задержки должно оперативно меняться по закону, обратному временным искажениям. Рис. 18.19 иллюстрирует формирование задержки видеосигнала. Величина регулируемой задержки при этом определяется управляющим напряжением. Следовательно, процесс коррекции должен состоять из двух основных операций: определения необходимого времени задержки и организации задержки на требуемое время. Устройства, в которых реализуются эти функции, могут строиться по принципу разомкнутой петли управления или обратной связи. Каждая из этих систем коррекции имеет свои недостатки и достоинства. Временные искажения определяются при сравнении фаз положения воспроизводимых и опорных
31
482
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.19. Регулируемая линия задержки
Рис. 18.20. Структурная схема регенерации гасящих и синхронизирующих им пул ьсов
сигналов в детекторах ошибок, вырабатывающих напряжения, значение и знак которых пропорциональны временной ошибке.
Электронные корректоры временных искажений могут корректировать сигнал с большой точностью. Например, при коррекции фазы поднесущей в системе NTSC, где на детектор ошибки подаются поднесущие (опорная и воспроизведенная), точность коррекции положения поднесущей может быть доведена до 5 нс [81].
Регенерация сигналов гашения и синхронизации. В некоторых случаях требуется замена искаженных синхронизирующих и гасящих импульсов, воспроизводимых с ленты, на новые, соответствующие параметрам ТВ вещания. Укрупненная структурная схема регенерации гасящих и синхронизирующих импульсов показана на рис. 18.20.
Телевизионный сигнал после системы коррекции временных искажений поступает на управляемую схему восстановления постоянной составляющей импульсов (ВПС) и на селектор опорных сигналов (СОС). С выхода ВПС сигнал поступает на систему разделения сигналов яркости Еу и цветности Ец, состоящую из ФНЧ, фазирующей линии задержки ЛЗ и вычитающего устройства ВУ. В ФНЧ полный ТВ сигнал ограничивается по полосе частот, и на выходе получается яркостный сигнал Еу, который затем поступает на ВУ. На него же подается полный ТВ сигнал, прошедший через фазирующую цепь, которая выравнивает задержки сигналов, поступающих на устройство вычитания для более полного подавления низкочастотных составляющих в сигнале цветности. Сигнал Е^ получается в результате вычитания из полного ТВ сигнала яркостного сигнала. Разделение полного сигнала на составляющие можно получить и другими методами, однако предпочтение отдают устройству, описанному выше, так как вычитание сигналов обеспечивает минимальные фазовые
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
483
искажения, которые проявляются при суммировании этих сигналов. Далее яркостный сигнал поступает на сумматор Ei, где он суммируется с регенерированными гасящими импульсами, поступающими от формирователя гасящих импульсов (ФГИ).
Если непосредственно сложить гасящие импульсы с полным ТВ сигналом, то при ограничении по уровням черного и белого передаваемая поднесущая будет подавлена и возникнут значительные искажения пурпурного, красного и синего цветов сигналов SECAM вследствие того, что части уровней перечисленных сигналов располагаются выше уровня белого, а части —- ниже уровня черного. Поэтому сигналы яркости и цветности разделяются, а обрабатываются только сигналы яркости.
Имеющиеся в яркостном сигнале помехи ограничиваются по нормированным уровням белого и черного в ограничителе Огр, с помощью которого удается устранить помехи ниже уровня черного и выше уровня белого.
Сигнал цветности обрабатывается в блоке антисовпадения (БАС): подавляются остатки синхроимпульсов и высокочастотных компонентов помех, которые попадают в полосу пропускания канала цветности и искажают форму регенерируемых импульсов. Блок антисовпадения отключает канал цветности во время поступления на один вход стробирующего импульса, а па другой - сигнала цветности. Этот импульс вырабатывается в СОС.
Стробирующий импульс представляет собой последовательность строчных импульсов, совпадающих по фазе со строчными гасящими импульсами и имеющих длительность 7 мкс. Следовательно, подавляется помеха от начала гасящего импульса до момента появления импульса вспышки цветовой поднесущей, расположенной на задней площадке строчного гасящего импульса.
Обработанные сигналы яркости Еу и цветности суммируются в сумматоре Е-2- В сумматоре Е3 в сигнал замешиваются регенерированные в Рг строчные синхронизирующие импульсы. После соответствующего усиления на выходе усилителя (У) получается полный ТВ сигнал. Регенераторы гасящих и синхронизирующих импульсов управляются импульсами, выделенными из воспроизводимого сигнала. Предусмотрен режим их работы от внешних источников, от синхрогенератора телецентра.
Несовершенство отдельных звеньев ТВ канала и помехи, возникающие при записи и воспроизведении, могут вызвать искажения воспроизводимого сигнала, которые снижают четкость изображения, нарушают цветопередачу, приводят к появлению цветных окантовок и муаров. Эти искажения возникают в результате неравномерной АЧХ канала записи и воспроизведения в пределах полосы пропускания. Нелинейность амплитудной характеристики, низкая несущая частота ЧМ приводят к перекрытию спектров ЧМ и ТВ сигналов и
484
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
невозможности их полного разделения. Эти так называемые комбинационные искажения проявляются как помеха при записи цветных сигналов, для которых характерно наличие спектральных составляющих большой амплитуды на частотах, близких к граничной частоте телевизионного сигнала (сигнал цветности). Эти искажения корректируются специальными корректорами линейных и нелинейных искажений. Для уменьшения комбинационных искажений ЧМ сигнал цветного телевидения записывают с двумя боковыми.
Показатели качества существующих в настоящее время видеомагнитофонов удовлетворяют современным требованиям. Это достигается внедрением в аппаратуру записи новейших достижений науки и техники, использованием цифровой техники в устройствах коррекции искажений и др.
Цифровой корректор временных искажений. Быстрое развитие цифрового телевидения позволяет использовать в магнитной записи аналоговых ТВ сигналов цифровые корректоры временных искажений. Эти корректоры выполняются на основе больших интегральных схем, занимают малый объем, работают в бесподстроечном режиме, обеспечивают более высокую точность и надежность.
Принцип действия цифрового корректора временных искажений основан на том, что в запоминающее устройство вводится цифровой ТВ сигнал с помощью тактовых импульсов, синхронизированных воспроизводимыми сигналами, а выводится сигнал из запоминающего устройства с тактовыми импульсами, синхронизированными внешним опорным генератором. Таким образом устраняются временные искажения.
Рассмотрим для примера структурную схему одного из вариантов цифрового корректора временных искажений (рис. 18.21). Телевизионный сигнал после воспроизведения поступает на АЦП, в котором фиксируется уровень и сигнал преобразуется в параллельный код, позволяющий передавать 256 градаций яркости. Управление АЦП осуществляется тактовыми импульсами с частотой дискретизации /д, которые получаются из выделенных блоком БСИ синхроимпульсов входного сигнала в формирователе тактовых импульсов ФТИ. Эти импульсы содержат временные ошибки входного сигнала.
Как известно, частота дискретизации в цветном телевидении выбирается равной третьей или четвертой гармонике цветовой поднесущей. С выхода АЦП цифровой сигнал поступает на демультиплексор (ДмП) 8/24, назначение которого — преобразование исходного 8-битового сигнала в 24-битовый с частотой следования /д/3 по 24 отдельным каналам для согласования скорости передачи цифрового потока с быстродействием используемых запоминающих устройств. Далее сигнал подается на точный корректор временных искажений (ТКВИ) по 24 каналам. В ТКВИ корректируются ошибки в пределах сигнала частоты /д/3. Корректор состоит из 24 триггеров, на одни входы которых подается цифровой поток, полученный из
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
485
Вход о—♦—
АЦП
ДмП 8/24
ТКВИ
Мп 24/8
? Импульсы А выпадения ” I Опорная БФА	т '
, 1частота /д/3
Опорные строчные |q-~ импульсы I____
Опорный? сигнал I
БСИ
—<	/д/3
•| ФТИ |
Строчные импульсы
/д
ЦАП
Синхросигнал у
БОС
Выход
Рис. 18.21. Структурная схема цифрового корректора временных искажений
воспроизводимого сигнала, а на другой вход — опорная поднесущая частоты /д/3. Следовательно, на выходе точного корректора получается цифровой сигнал, синхронный с опорной поднесущей. В результате такой коррекции временная ошибка равна целому числу периодов опорной поднесущей. Далее цифровой поток поступает в блок памяти (БП) с объемом, необходимым для коррекции в требуемом временном диапазоне. Если время коррекции перекрывает временной диапазон 32 мкс, то объем БП должен соответствовать одной ТВ строке. Блок памяти состоит из запоминающих устройств, которые осуществляют произвольную выборку и одновременную запись и считывание сигнала.
Временные ошибки в БП корректируются следующим образом. Цифровой сигнал записывается в БП с помощью импульсов опорной поднесущей /д/3, считывается с помощью тех же импульсов, но спустя некоторое время, которое определяется взаимным расположением воспроизводимых и опорных строчных импульсов, т.е. временной ошибкой. Блоком памяти управляет блок формирования адресов записи и считывания (БФА). Как было показано, ошибка, корректируемая в БП, кратна целому числу периодов опорной поднесущей частоты /д/3. Для ее выделения достаточно определить число периодов опорной поднесущей, которая размещается между воспроизводимыми и опорными строчными импульсами. С БФА кодированные адреса поступают в БП.
В данном устройстве цифровой корректор временных искажений совмещен с цифровым компенсатором выпадения сигнала, поэтому после коррекции временных искажений цифровой сигнал поступает на компенсатор выпадений, в котором выпавшая строка замещается сигналом предшествующих строк. В отличие от аналогового компенсатора выпадения строк, где используются линии задержки, в цифровых компенсаторах для задержки сигнала на время двух строк применяются регистры сдвига (PC), которые управляются импульсами опорной частоты /д/3. Задержанный и прямой каналы переключаются импульсами выпадений, выделенными из воспроизводимого ЧМ сигнала.
486
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
После цифрового компенсатора выпадения сигнал поступает на мультиплексор (МП) 24/8, в котором он преобразуется в 8-разрядный параллельный код. Далее для получения исходного аналогового сигнала цифровой поток поступает в ЦАП. Восстановленный аналоговый сигнал подается на блок обработки сигнала (БОС), в котором формируется полный телевизионный сигнал требуемой формы. Для этого от синхрогенератора (СГ) поступают регенерированные гасящие и синхронизирующие импульсы стандартной формы.
18.5.	Системы автоматического регулирования (САР) в видеомагнитофонах
Видеомагнитофон имеет в своем составе несколько систем автоматического регулирования, которые в основном определяют качество воспроизводимого изображения. Записанный на магнитную ленту сигнал только тогда может быть воспроизведен без искажений, когда воспроизводящая головка перемещается точно по тем же элементам ленты, по которым перемещалась записывающая головка. При этом относительная скорость головка-лента на каждом участке ленты при воспроизведении должна быть точно такой же, как и при записи. Эти требования являются общими для любого вида записи. К магнитной записи сигналов изображения добавляются дополнительные требования: при записи соответствующие участки ТВ сигнала должны попадать на определенные участки ленты; воспроизводимый с ленты ТВ сигнал должен быть синхронен с другими (внешними) источниками ТВ сигнала. Это последнее требование особенно важно для видеомагнитофонов, применяемых в ТВ вещании.
Основными САР видеомагнитофонов являются системы регулирования скорости вращения диска головок (САР-СД), скорости движения ленты (САР-СЛ), управления натяжением ленты (САР-НЛ), автоматического поддержания точного следования головки на записанной строке при воспроизведении, так называемая система автотрекинга (CAT) и др.
Для обеспечения точного следования видеоголовок по дорожкам записи при воспроизведении необходимо обеспечить отношение /г?г, имевшее место при записи. Этого можно достичь, если сравнить фазу опорного сигнала датчика оборотов барабана блока вращающихся головок с фазой сигнала управления, воспроизведенного с дорожки сигнала управления. В том случае, когда сигнал рассогласования равен нулю (а это значит, что отношение VjJvr при записи и воспроизведении одинаково), за один оборот блока вращающихся головок лента при воспроизведении перемещается точно на столько, на сколько она перемещалась при записи. Однако это условие выполняется и при параллельности траектории следования головки дорожке записи. Точное совмещение дорожек записи с траекторией движения головки
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
487
К САР-СЛ <---
Импульсы 250 Гц
Опорные импульсы полей 50 Гц Воспроизводимые импульсы
________полей 50 Гц__________
Воспроизводимые импульсы строчной синхронизации 15625 Гц
Опорные импульсы строчной
синхронизации 15625 Гц
Рис. 18.22. Укрупненная структурная схема САР-СД
при воспроизведении будет обеспечено только в том случае, если взаимное расположение видеоголовок и головок канала управления при записи и воспроизведении строго идентичны и каналы сигналов управления при записи и воспроизведении не вносят фазовых искажений.
Система САР—СД. Укрупненная структурная схема САР-СД показана на рис. 18.22. Основное ее назначение в режиме записи — стабилизация скорости вращения диска головок, его фазирование по отношению к записываемому сигналу изображения и запись синхронизирующих импульсов полей точно в необходимом месте. Это важно потому, что при монтаже видеофонограмм не должна нарушаться частота следования импульсов синхронизации полей в месте склейки.
В современных видеомагнитофонах с наклонно-строчной записью используются двигатели постоянного тока. Опорным сигналом системы САР-СД является сигнал синхронизации полей 50 Гц. При записи он выделяется из записываемого полного ТВ сигнала, а при воспроизведении — из опорного сигнала синхронизации. Выделенные импульсы полей и сигналы датчика оборотов двигателя 1 подаются на два входа фазового детектора 2. На выходе фазового детектора получается сигнал рассогласования фаз сравниваемых сигналов, который через коммутатор 3 поступает на управляемый генератор Частота генератора 4 изменяется в соответствии с величиной и полярностью сигнала расстройки и увеличивает или уменьшает скорость вращения двигателя блока головок 5 до тех пор, пока не произойдет совпадение фаз. В такой системе возникают качания ротора двигателя относительно средней скорости вращения, т.е. имеет место нестабильность мгновенной скорости блока головок. Для компенсации этой нестабильности и улучшения качества регулирования эти качания выделяются частотным дискриминатором 6 и подаются на фазовый модулятор 7, который управляет напряжением питания двигателя. Регулируемое напряжение питания через усилитель мощности 8 поступает на двигатель 5. Выходной сигнал с датчика оборотов 1
488
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
подается на систему регулирования скорости движения ленты (САР-СЛ), где используется в качестве опорного сигнала при воспроизведении, а в режиме записи записывается на ленту (сигнал управления).
Эта система регулирования обеспечивает синхронную запись с частотой полей записываемого сигнала, а при воспроизведении — синхронизацию воспроизводимого сигнала с источником опорного сигнала. Точность синхронизации, необходимая в телевизионном вещании, должна быть достаточно высокой, около 50 нс. Описанная система регулирования, базирующаяся на сравнении частоты датчика оборотов и частоты полей, такой точности не обеспечивает. Для повышения точности системы регулирования, предварительно сфа-зировав систему по импульсам полей, осуществляют синхронизацию по строчным импульсам. Система регулирования работает последовательно, используя различные сигналы синхронизации. Предварительная установка головок на записанные дорожки производится САР-СЛ. Она обеспечивает совмещение дорожек записи, содержащих импульс синхронизации полей, с сигналом датчика оборотов блока головок. Однако неизбежные ошибки механической установки датчика оборотов блока головок при записи и воспроизведении, а также ошибки при формировании сигналов управления приводят к ошибкам синхронизации. Поэтому после предварительной регулировки по сигналу датчика оборотов 1 действует вторая ступень более точной фазировки сигнала управления. Фазовый детектор 9 сравнивает фазы воспроизводимых и опорных импульсов полей. При рассогласовании между ними сигнал ошибки подается через коммутатор 3 на управляемый генератор подстраивая положение блока головок.
После регулирования системы по полям включается фазовый детектор 10, сравнивающий фазы воспроизводимых и опорных строчных импульсов. Из-за повышения частоты выделения сигнала ошибки значительно уменьшается нестабильность вращения блока головок и снижается временная ошибка частоты следования воспроизводимых строчных импульсов. В видеомагнитофонах последних выпусков, где применяют цифровые корректоры временных ошибок с большим диапазоном коррекции, режим строчной синхронизации обычно не используется, так как временные ошибки до 30 нс и более корректируются электронным способом. Это повышает быстродействие системы регулирования и уменьшает время установки синхронизации.
Система САР-СЛ. Структурная схема САР-СЛ показана на рис. 18.23. В процессе записи САР должна обеспечить постоянство во времени отношения v^/vr. В системах наклонно-строчной записи опорными сигналами САР являются импульсы кадровой синхронизации, которые записываются на магнитную ленту как сигнал управления. В режиме воспроизведения управление ведущим двигателем должно обеспечить синхронизацию скорости движения ленты с вращением диска головок. При этом за каждый оборот диска лента должна сместиться точно на шаг записи. Для этого необходимо
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
489
1 I I I I I I I I ГГI I I И I I I I I I  1.1 1 1 1ЦШДЛПТ1 I lllIl lTn
9
Монтажный импульс
12,5 Гц
Воспроизведенный импульс 12,5 Гц
Сигнал выбора режима
Монтажный импульс 12,5 Гц
Кадровый импульс 12,5 Гц Импульсы датчика оборотов
Опорный импульс 12,5 Гц
Рис. 18.23. Укрупненная структурная схема САР-СЛ
сравнить частоту сигнала датчика оборотов диска и сигнал управления, который записан на нижнем краю ленты и представляет собой сигнал датчика оборотов диска головок.
На фазовый детектор 3 подаются два сигнала с частотой 250 Гц. Один — от датчика оборотов диска головок, а другой — воспроизводимый с ленты сигнал управления через усилитель воспроизведения 4 и регулируемую задержку 8. Выходной корректирующий сигнал с фазового детектора 3 поступает через коммутатор 5 на управляемый генератор 6 и усилитель мощности 7 — на двигатель 1. Отсутствие сигнала ошибки после детектора 3 свидетельствует о том, что обеспечивается поддержание такой скорости движения ленты, при которой лента смещается за один оборот диска головок точно на один период сигнала управления, что соответствует одному шагу записи.
Для точного попадания видеоголовок на записанные дорожки необходимо установить определенное фазовое соотношение между сигналами управления и датчика оборотов диска и головок. Для этих целей предназначена регулируемая задержка или фазовращатель, изменяющий фазу сигнала управления, с помощью которого осуществляется электронная регулировка. Точная установка на дорожку записи производится по максимуму ЧМ сигнала. Однако в этом случае может не быть совпадения кадров опорного и воспроизводимого сигналов.
В черно-белом телевидении полная информация о каждом кадре содержится в двух полях. При записи сигналов системы SECAM каждый цветной кадр формируется четырьмя полями, с периодичностью 12,5 Гц, поэтому вероятность совпадения импульсов кадровой синхронизации опорного и воспроизведенного сигналов очень мала. Для обеспечения кадровой синхронизации в схеме САР-СЛ введена система установки по монтажным импульсам, записанным на дорожке сигнала управления вместе с сигналом датчика оборотов. Эти
490
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
импульсы складываются в усилителе записи 9 и записываются на ленту. В режиме воспроизведения в начальный момент частота управляемого генератора 6 определяется выходным сигналом фазового детектора 10. На один из входов 10 подается опорный кадровый импульс 12,5 Гц, который выделяется из опорного сигнала, а на второй вход подается воспроизводимый монтажный импульс 12,5 Гц. Этот импульс вместе с управляющими импульсами поступает на селектор 11, где он выделяется. Частота управляемого генератора 6 будет меняться, увеличивая или уменьшая скорость двигателя 1 до тех пор, пока не будет совпадения этих импульсов.
После этого восстанавливается режим работы с фазовым детектором 3 датчика оборотов 250 Гц. Последовательность включения цепей 3 и 10 осуществляется автоматически коммутатором 5, который управляется сигналом выбора режима работы.	•
Система САР-НЛ выполняет несколько функций, и в первую очередь стабилизацию натяжения ленты (устранение провисания и рыхлой намотки на катушку или исключение рывков при включении или выключении при перемотке). Однако значение натяжения в значительной степени меняется при изменении количества ленты на приемной и подающей катушках. Датчиком сигнала ошибки являются подпружиненные натяжные рычаги, размещенные перед приемным и подающим узлами лентопротяжного механизма. Угловое положение оси рычага преобразуется в сигнал, управляющий напряжением, подаваемым на исполнительный элемент.
В видеомагнитофонах с наклонно-строчной записью при большой длине дорожки записи натяжение ленты имеет большое значение, так как с его увеличением или уменьшением связано растяжение ленты с записанной на ней информацией. Это ведет не только к ухудшению точности следования головки по дорожке записи, но и к изменению частоты следования воспроизводимых строчных синхроимпульсов.
В видеомагнитофонах с наклонно-строчной записью конфигурация дорожек записи не идентична из-за трения в движущихся частях лентопротяжного механизма, ошибок в работе САР, износа движущихся частей и многих других факторов. Особенно это проявляется в системах с большой протяженностью магнитной дорожки. Кроме того, в системах наклонно-строчной записи в режимах ускоренного или замедленного движения ленты меняется траектория движения головки при воспроизведении, и она будет сходить с дорожки записи, так как головка за один оборот перейдет с одной дорожки на другую. Смещение магнитной головки относительно оси симметрии дорожки записи приведет к уменьшению воспроизводимого ЧМ сигнала, вызывая увеличение помехи на изображении.
Система CAT. Благодаря применению CAT не только снижаются требования к точности изготовления некоторых механических узлов, но и принципиально обеспечивается возможность замедленного и ускоренного воспроизведения изображения в системах с
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
491
Рис. 18.24. Пьезоэлектрическая пластина с видеоголовкой
т—ж
наклонно-строчной записью. Однако при этом из-за изменения суммарной скорости движения ленты-головки изменяется частота следования воспроизводимых строчных синхронизирующих импульсов. Для обеспечения точного следования головки по траектории записанной дорожки в видеомагнитофонах необходимо предусмотреть дополнительные мероприятия — систему автоматического управления положением головки на дорожке записи, или автотрекинг. Слово «автотрекинг» происходит от греческого autos — сам и английского track — путь, колея. Автотрекинг — это следящая система, поддерживающая правильное положение головки воспроизведения относительно дорожки записи.
Система автотрекинга CAT обеспечивает перемещение головки в перпендикулярном к плоскости ее вращения направлении, принудительно удерживая головку на строке записи. Система CAT фактически является экстремальной автоматической системой, обеспечивающей получение максимума огибающей воспроизводимого ЧМ сигнала и формирующей управляющий сигнал для исполнительного элемента. При смещении видеоголовки с дорожки записи вырабатывается сигнал управления, с помощью которого головка, возвращается в исходное положение. Так как амплитуда огибающей ЧМ сигнала уменьшается при смещениях головки и в сторону предшествующей, и в сторону последующей магнитной дорожки записи, возникает необходимость формирования признаков направления смещения головки с тем, чтобы получить соответствующее управляющее воздействие. Известны несколько разновидностей CAT, использующих различные методы формирования указанных признаков и управляющих воздействий. В видеомагнитофонах различного назначения и конструкции применяются CAT с использованием поискового сигнала, с записью сигналов четырех частот, использованием двух дополнительных магнитных головок и др. Исполнительным устройством CAT являются специальные преобразователи напряжения в перемещение. Выполняются они на основе обратного пьезоэлектрического эффекта. На рис. 18.24 показана пьезокерамическая пластинка 1 с укрепленной на ее конце видеоголовкой 2. К обкладкам пьезоэлемента подводится напряжение, вызывающее деформацию пластины. Благодаря противофазному включению обкладок двух частей пьезокристалла они изгибаются так, чтобы обеспечить отклонение головки от ее среднего положения на ±0...0,3 мм с сохранением параллельности перемещения самой головки. Значение и полярность подводимого к пьезоэлементу напряжения пропорциональны амплитуде отклонения голов
492
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
ки от строчки записи. Кроме того, CAT практически снимает проблему взаимозаменяемости видеофонограмм и позволяет повысить плотность записи, т.е. уменьшить расход пленки. Использование автотрекинга’ позволяет вести запись с меньшей шириной дорожек и без защитного промежутка между ними.
18.6.	Монтаж видеофонограмм
При записи ТВ сигналов на магнитную ленту, так же, как при записи звуковых сигналов, для составления программ возникает необходимость монтажных операций для создания единой программы-из номеров и сцен, записанных на различных местах ленты или на различных лентах. Специфика записи ТВ сигналов требует особых условий монтажа. На магнитной ленте записано несколько сигналов различными методами: наклонно-строчная запись ТВ сигналов, продольная запись звуковых и управляющих сигналов. Очевидно, что принятая в звуковых магнитофонах и в кинотехнике технология монтажа непригодна для магнитной записи ТВ сигналов. Монтажные операции при записи ТВ сигналов усложняются тем, что наблюдать изображение можно только в динамическом режиме, что затрудняет определение точного места склейки ленты. Наконец, к склейке предъявляются более высокие требования, чем в кино и звукозаписи. Необходимо с высокой точностью сохранить все временные и пространственные соотношения ТВ и управляющего сигналов.
Еще недавно в кино и звукотехнике использовался механический монтаж, предполагавший разрезание ленты и ее склейку с другой лентой, где записана необходимая программа. В технике магнитной видеозаписи механический монтаж видеофонограмм практически не используется. В настоящее время в технике магнитной записи ТВ сигналов используется электронный монтаж, заключающийся в получении единой программы путем перезаписи на одну ленту фрагментов, записанных на различных участках одной или разных магнитных лент, с точной стыковкой сигналов синхронизации. Электронный монтаж позволяет заменить любые сюжеты стиранием и их новой записью, добавить новую запись с другого датчика, не разрезая и не склеивая ленту. При этом используются два режима работы: «продолжение» и «вставка». В режиме «продолжение» одна программа записывается после другой. В месте перехода одной программы в другую не должно быть сбоя синхронизации. В режиме «вставка» в записанную программу вставляется другая. Длительность вставки может быть произвольной — от долей секунды до десятков минут.
Для монтажа видео- и аудиопрограмм в профессиональных видеомагнитофонах имеется встроенный блок электронного монтажа. Этот блок в необходимые моменты времени вырабатывает команды па включение и выключение необходимых цепей, которые меняют режим работы видеомагнитофона. Место склейки на ленте определяется заранее при просмотре программы и фиксируется записью
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
493
монтажной метки. Все операции выполняются во время кадровых гасящих импульсов. Современные видеомагнитофоны позволяют проводить монтажные операции с помощью как встроенного, так и внешнего монтажного пульта. Монтажный пульт имеет в своем составе микропроцессор, который позволяет значительно расширить возможности монтажных операций и полностью их автоматизировать.
При электронном монтаже необходимо синхронизировать два или несколько видеомагнитофонов с высокой точностью. Такая синхронизация может быть достигнута использованием специального адресно-временного кода, записываемого на дорожке режиссерских указаний. Сигнал адресно-временного кода с каждого видеомагнитофона контролируется микроконтроллером, куда предварительно вводятся данные о моментах изменения режима того или иного видеомагнитофона (воспроизведение, запись, поиск необходимого места па ленте, перемотка вперед, назад и т.д.).
Монтажные операции в видеомагнитофонах с наклонно-строчной записью позволяют остановить ленту в любом месте, наблюдать неподвижное изображение, перемещать ее с замедленной и ускоренной скоростями. Это значит, что поиск и разметка сюжетов при монтаже ТВ программ значительно упрощаются. Для стирания предыдущей записи устанавливается дополнительная вращающаяся стирающая головка. Эта головка стирает запись на ленте по наклонной траектории, угол которой соответствует углу наклона записанной магнитной дорожки. Команды переключения головок на необходимые режимы подаются с встроенного в видеомагнитофон блока электронного монтажа.
Технология электронного монтажа, в процессе выполнения которого оператор-монтажер имеет последовательный доступ к отдельным фрагментам видеозаписи на магнитной ленте, и осуществляет перезапись этих фрагментов с нескольких (как правило — двух, трех) видеомагнитофонов-«плейеров» на один — «мастер» или «рекордер», получила название технологии линейного монтажа. В настоящее время линейный монтаж вытесняется более совершенной технологией нелинейного монтажа, осуществляемого на мощных персональных компьютерах, с высоким быстродействием, большим объемом памяти, оснащенных специально разработанным программным обеспечением. Монтажным операциям, проводимым на компьютере, должна предшествовать оцифровка всех исходных видео- и звуковых материалов (т.е. представление сигналов всех ТВ программ в виде цифрового потока данных) и загрузка этих данных в память компьютера — формирование так называемого RAID-массива. Затем в соответствии с замыслом режиссера видеомонтажа, осуществляется стыковка отдельных фрагментов видеозаписи, наложение звука, ввод титров и спецэффектов. Все операции могут проводиться вручную, с участием оператора видеомонтажа, или автоматически,
494
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
по заранее составленной программе. Результаты монтажных операций могут быть проконтролированы и тут же, в случае необходимости, откорректированы. На всех этапах монтажа оператор имеет произвольный доступ к любому фрагменту видеозаписи и возможность многократной перезаписи и копирования сюжетов без ухудшения качества ТВ сигнала, широкий ассортимент разнообразных двумерных и трехмерных спецэффектов, введения или замены рекламных вставок и т.п. Сформированная видеопрограмма может быть переписана на магнитную ленту в любом из существующих ТВ стандартов или сохранена на видеосервере для последующего архивирования или выдачи в эфир.
18.7.	Принцип ускоренного и замедленного воспроизведения телевизионных изображений
В ТВ вещании часто возникает необходимость немедленного повторного показа зрителю происходящего события или просмотра записанных изображений техническим и творческим персоналом. Такая возможность значительно облегчает труд творческих работников, позволяя оперативно контролировать качество записанных программ. Потребность повторного и при этом замедленного или ускоренного воспроизведения характерна для показа общей динамики происходящих событий или демонстрации трюков. Замедленное воспроизведение движения или воспроизведение неподвижного кадра позволяют детально рассмотреть отдельные фазы спортивной борьбы.
При воспроизведении записей с магнитной ленты повторное воспроизведение изображений требует выполнения операций остановки, быстрой обратной перемотки ленты на требуемый интервал и включения режима воспроизведения. При замедленном или ускоренном воспроизведении записанных на магнитной ленте изображений необходимо, сохраняя скорость считывания равной скорости записи, несколько раз воспроизвести один и тот же кадр для замедленного и пропускать один или несколько кадров для ускоренного воспроизведения. В видеомагнитофонах, использующих наклонно-строчную запись, эта задача решается относительно просто: необходимо изменить скорость протяжки ленты. Однако в этом случае изменится траектория движения видеоголовки по отношению к дорожкам записи, расположенным на ленте, и изменится относительная скорость ленты-головки. Например, при воспроизведении стоп-кадра или при увеличении скорости протяжки ленты в два раза траектория движения головки не будет совпадать с дорожкой записи и за время передачи одного поля сместится на величину шага дорожки (см. рис. 18.10,6). В режиме воспроизведения при отклонении от номинальной траектории, когда головкой пересекаются две дорожки записи, последовательность строчных синхроимпульсов может и не
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
495
нарушиться из-за соответствующего расположения синхроимпульсов на дорожках (см. рис. 18.10,а). Однако при переходе магнитной головки с одной дорожки на другую, т.е. при пересечении межстрочного интервала сигналограммы, уровень ЧМ сигнала упадет ниже уровня ограничения, на изображении возникнет так называемая шумовая дорожка (шумовые всплески) длительностью в несколько строк. Необходимо совместить временной интервал появления шумовой дорожки с интервалом гашения обратного хода по полю, чтобы помехи не были видны’ на экране.
Существует несколько методов уменьшения заметности данного вида помех. Например, помехи могут быть устранены регулировкой угла протягивания ленты, что компенсирует изменение наклона траектории движения ленты. Угол протягивания ленты можно изменять опусканием или подъемом направляющих барабана блока вращающихся головок. В системах с автотрекингом изменение скорости движения ленты не вызовет выпадения сигнала, если наклон траектории лежит в диапазоне перемещения пьезоэлемента, а следовательно, и видеоголовки.
В видеомагнитофонах, использующих форматы записи без межстрочного промежутка, для уменьшения перекрестных искажений между дорожками записи используется встречное наклонное расположение рабочих зазоров видеоголовок. В этом случае условия замедленного и ускоренного воспроизведения несколько улучшаются. Видеоголовки при движении по этим траекториям захватывают частично и соседние строчки записи, однако помехи не возникают, так как рабочие зазоры видеоголовок установлены наклонно. В современных видеомагнитофонах реализация режима «стоп-кадра» без шумовых дорожек происходит за счет введения дополнительных головок считывания теряемой в двухголовочном видеомагнитофоне информации и последующей «электронной сшивки» сигналов, снимаемых основной и дополнительной видеоголовкой. В видеомагнитофонах с сегментным форматом записи режим ускоренного и замедленного воспроизведения и стоп-кадра может быть реализован только с помощью дополнительных промежуточных запоминающих устройств.
18.8.	Запись цифровых сигналов
Общие сведения. Качество современной аналоговой магнитной записи достигло высокого уровня, но ей свойственны недостатки, устранение которых с помощью аналоговой техники трудноосуществимо, а иногда принципиально невозможно.
Запись ТВ сигналов в цифровой форме имеет ряд существенных преимуществ перед методом записи аналоговых сигналов. В первую очередь это возможность многократной перезаписи без накопления искажений. Если в аналоговых видеомагнитофонах уже при третьей-четвертой перезаписи растет уровень муара, увеличиваются
496
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
линейные и нелинейные искажения сигнала, ухудшается отношение сигнал/помеха, то в цифровой видеозаписи число перезаписей одного и того же сюжета на магнитную ленту может быть многократно увеличено (до нескольких десятков раз) без существенного снижения качества изображения.
В цифровых видеомагнитофонах, так же как и в других цифровых системах, меньше влияние неидентичности и нестабильности аппаратурных характеристик на качество сигнала. Облегчается обслуживание аппаратуры, так как не требуются регулировки и подстройки при эксплуатации. Одно из основных преимуществ цифровой записи обусловлено тем, что она практически не подвержена влиянию погрешностей, вызванных движением головок относительно ленты. Эти погрешности проявляются в системах аналоговой видеозаписи и вызывают повышение уровня шума, некоторую нестабильность изображения. Даже в тщательно настроенных системах аналоговой видеозаписи ухудшается резкость контуров и границ изображения в результате неравномерного вращения блока видеоголовок. Кроме того, малейшая деформация ленты, представляющая собой гибко-упругий элемент, приводит к взаимному смещению записанных участков.
При цифровой записи происходит исключение вредных эффектов, связанных с движением ленты и головок, так как в аналого-цифровом преобразовании при дискретизации аналоговый сигнал получает форму последовательных очень коротких импульсов-отсчетов, нестабильность уровня которых не сказывается на передаче сигнала. В результате в цифровых системах записи и воспроизведения изображения оказываются стабильными, очень четкими и почти лишенными шума.
Запись цифровых ТВ сигналов на магнитную ленту является технически сложной задачей. Сложность в первую очередь заключается в необходимости записи высокоскоростных цифровых потоков. Запись больших цифровых потоков при том же расходе ленты, как при аналоговой записи, требует значительного увеличения поверхностной плотности записи (примерно в 10 раз). Если в студийном аналоговом видеомагнитофоне для записи видеосигнала с полосой частот 6,5 МГц требуется записывать ЧМ сигнал полосой частот около 12 МГц, то в цифровом видеомагнитофоне прямая запись цифрового сигнала без применения различных методов компрессии требует полосы частот более 120 МГц. Созданы цифровые видеомагнитофоны с уменьшенной длиной волны записываемого сигнала Aniin и высококачественной магнитной лентой с уменьшением ширины магнитных дорожек. Освоены технологии изготовления высококачественных головок и эффективные системы автоматического регулирования. В настоящее время цифровые видеомагнитофоны обеспечивают более высокие технико-эксплуатационные характеристики, чем аналоговые.
Качество цифровой видеозаписи характеризуется достоверностью записи, определяемой вероятностью появления ошибки (сбоя).
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
497
Ошибки могут быть одиночными, вызванными действием помех в канале записи-воспроизведения, и групповыми (пакеты ошибок), обусловленными выпадением сигнала.
Структурная схема канала записи-воспроизведения цифрового видеомагнитофона. Для записи цифрового сигнала на магнитную ленту необходимо предусмотреть ряд мероприятий, связанных со структурой ТВ сигнала. Аналоговый видеомагнитофон записывает циклические сигналы. Все его следящие системы и устройства коммутации работают от строчных и кадровых синхронизирующих импульсов. В цифровой последовательности эти сигналы отсутствуют, поэтому для нормальной работы видеомагнитофона сигналы синхронизации следует включить в структуру цифрового сигнала. Кроме того, записанный сигнал должен содержать импульсы тактовой частоты следования двоичных символов, которые после выделения и воспроизведения обеспечат правильное декодирование цифрового сигнала. Спектр записываемого сигнала должен быть согласован с полосой пропускания канала изображения видеомагнитофона. При цифровой магнитной видеозаписи используют различные методы цифровой модуляции, в том числе частотную модуляцию, или канальное кодирование. Следует учесть, что из методов модуляции цифровых сигналов применим тот, который обеспечивает выделение импульсов тактовой синхрочастоты непосредственно из записанного цифрового сигнала.
Так как цифровая магнитная запись осуществляется распараллеливанием цифрового потока, структура цифрового видеомагнитофона в основном определяется числом необходимых каналов записи-воспроизведения. Число каналов записи определяется скоростью и плотностью записи. На существующих магнитных лентах для записи аналоговых сигналов плотность записи выше 2 кбит/мм получить затруднительно. В металлопорошковых или металлизированных лентах можно получить плотность записи 3 кбит/мм с достаточно высоким отношением сигнал/помеха при ширине дорожки записи 12,5 мкм. Если считать, что скорость записи по должна превышать предельную скорость 50 м/с при плотности записи 3 кбит/мм, то оказывается возможным использовать два канала записи. При повышении скорости записи выше 50 м/с увеличиваются износ головок и центробежные усилия в блоке головок. Естественно стремление к уменьшению числа каналов записи, так как каждый дополнительный канал записи усложняет электронную часть видеомагнитофона, добавляя системы защиты от ошибок, канального кодирования, синхронизации и т.д. Звуковые сигналы могут записываться на тех же дорожках, которые служат для записи видеосигнала. В этом случае используется общий тракт записи и канального кодирования. Между видеосигналом и звуковым сигналом, а также между каждым из звуковых сигналов оставляются небольшие интервалы, во время
498
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
которых коммутируются токи записи и стирания в процессе монтажа. Канальное кодирование существует для согласования с каналом записи-воспроизведения. При магнитной записи это означает, что энергетический спектр телевизионных сигналов преобразуется в соответствии со спектральными характеристиками ограниченного по частоте канала записи-воспроизведения, который может быть представлен в виде полосового фильтра. При оптимальном согласовании сигнал проходит по ограниченному по частоте каналу с минимальными искажениями.
Формирование входного сигнала цифрового видеомагнитофона в соответствии с рекомендацией на цифровой код студии способом БВН (без возврата к нулю). При этом методе носитель записи перемагничивается до насыщения в двух противоположных направлениях — при переходе к 1 или 0. Однако этот код не может быть использован непосредственно для записи на магнитную ленту. Это связано с тем. что АЧХ канала записи-воспроизведения имеет спад в области верхних и нижних частот. Спад в области низких частот обусловлен дифференцирующим действием магнитной головки индукционного типа и наличием вращающегося трансформатора. Спад в области высоких частот обусловлен в основном волновыми потерями (щелевыми, контактными, слойными). Поскольку исходный код БВН может содержать длинные последовательности 1 и 0, то постоянная составляющая кодовой последовательности изменяется в больших пределах: от 0 до 100 % размаха сигнала. Если такой сигнал записать, то при воспроизведении возникнут большие искажения в форме импульсов из-за подавления низкочастотных компонентов. Искажения проявляются в протяженных однополярных последовательностях импульсов и в смещениях средней линии сигналов в результате потери постоянной составляющей. Это исключает пороговое обнаружение 1 и 0 в воспроизводимом сигнале, поэтому делает код БВН непригодным для записи. Исходя из этого вытекают основные требования, предъявляемые к выбору канального кода: длительность непрерывных последовательностей 1 и 0 должна быть минимальной для обеспечения самосинхронизируемости кода, т.е. возможности выделения из нее тактовой частоты; спектр должен иметь неизменную постоянную составляющую и небольшой уровень низкочастотных составляющих; энергетический спектр кода должен иметь полосовой характер, согласующийся с полосой пропускания капала записи-воспроизведения, и др.
Реальные цифровые сигналы могут содержать в некоторые моменты времени длинные серии одинаковых символов — единиц или нулей. В этом случае нарушается работа систем АРУ, тактовой синхронизации и усилительных устройств с реактивными разделительными элементами. Это вызвано тем, что в сигнале отсутствуют изменения в каждом такте элементов сигнала, которые используются
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
499
для подстройки перечисленных устройств, что приводит к увеличению фазового дрожания цифрового сигнала и даже к полному нарушению синхронизации приемного устройства.
Для устранения длинных последовательностей 0 и 1 в исходном коде БВН производится так называемое скремблирование (перемешивание), которое заключается в логическом сложении цифрового сигнала с псевдослучайной последовательностью сигналов (ПСП). В этом случае длинные серии одинаковых символов сигнала приобретают структуру соответствующего отрезка ПСП. При скремблировании передаваемый сигнал независимо от свойств источника приобретает структуру, близкую к случайной, а код БВН — приближается по свойствам к случайному сигналу (рандомизируется), т.е., имея неслучайную природу генерирования, отвечает всем свойствам псевдослучайных сигналов. Такой сигнал имеет в своем составе составляющие с тактовой частотой, которые отфильтровываются и служат для автоподстройки тактового синхрогенератора и для управления системой АРУ. Скремблер — устройство для преобразования структуры цифрового сигнала без изменения скорости передачи символов этого сигнала для приближения его свойств к свойствам случайного сигнала. При воспроизведении применяется дескремблер — устройство, предназначенное для восстановления исходной структуры цифрового сигнала, преобразованной скремблером. Скремблирование может также использоваться в сочетании с определенным видом канального кодирования, а также является эффективным средством согласования цифрового сигнала с характеристикой канала, но при этом закон перемешивания должен быть жестко задан.
В настоящее время известно множество кодов, применяемых в цифровой магнитной записи. Каждый из них в той или иной степени соответствует поставленным требованиям. Однако нельзя выделить какой-то один код, который имел бы явные преимущества по сравнению с другими, поэтому, де-факто, существует несколько общепризнанных международных стандартов на канальное кодирование. В цифровых видеомагнитофонах используются различные канальные коды, удовлетворяющие частным требованиям разработчиков. Основным фактором, влияющим на снижение достоверности записи, является выпадение сигнала. Для защиты от ошибок в цифровой видеозаписи используют два способа: маскирование ошибок и коррекция ошибок.
Метод маскирования ошибок аналогичен методу компенсации выпадения сигнала в аналоговых видеомагнитофонах и сводится к обнаружению искаженного кодового слова и замене его интерполированным кодовым словом предыдущей и последующей строк. Таким образом возможно маскирование и внутри строки. Однако при многократной перезаписи маскирование не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к качеству изображения, что сводит на нет основное преимущество цифровой видеозаписи. В связи с этихм наряду с
500
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
маскированием широко применяется коррекция ошибок, обеспечивающая точное восстановление потерянной информации методами помехоустойчивого кодирования, которое предполагает введение избыточности при кодировании. Коды, обнаруживающие и исправляющие ошибки, широко используются в технике связи. Суть их заключается в следующем. Предназначенная для передачи кодовая комбинация дополняется в соответствии с определенным алгоритмом проверочными символами, которые располагаются в определенной последовательности. Отсюда следует: чем эффективнее система защиты от ошибок, тем большее количество информации необходимо передать. Но для этого следует увеличивать число символов, передаваемых в единицу времени, которое ограничено конечной полосой пропускания канала. Необходимость поиска компромисса между степенью коррекции ошибок, обеспечивающей необходимое качество изображения, и компрессией цифровых сигналов, позволяющей сократить объем данных при заданной пропускной способности канала ведет к появлению новых форматов цифровой видеозаписи. На начало 2002 г. известно около двух десятков цифровых форматов записи ТВ сигналов на магнитную ленту, из которых наиболее широко распространены форматы семейства DV, DVCAM, DVCPRO, DVCPRO50, а также Digital Betacam, Betacam SX (табл. 18.1).
Упрощенная структурная схема цифрового видеомагнитофона формата D2 показана на рис. 18.25. На вход видеомагнитофона поступает аналоговый композитный полный цветовой телевизионный сигнал и в АЦП преобразуется в цифровой. Далее, цифровой сигнал подвергается помехоустойчивому кодированию в кодере Кд и скремблированию в скремблере Ск. Синхрогенератор (СГ) обеспечивает систему записи необходимыми сигналами управления. Для введения синхроимпульсов в структуру записываемого цифрового сигнала служат блоки буферных запоминающих устройств с последовательным доступом БЗУ1 и БЗУ2. (Если используются ЗУ с произвольным доступом записи и считывания, объем требуемой буферной памяти может быть уменьшен вдвое.) Цифровая последовательность в БЗУ подвергается сжатию во времени. Цифровой сигнал сжимается благодаря различной скорости записи и воспроизведения его с БЗУ. Действительно, если скорость считывания информации с БЗУ больше скорости записи, то в выигранном интервале времени можно разместить импульсы синхронизации.
Работой БЗУ1 и БЗУ2 управляют два коммутатора Ki и К2, связанные с генератором импульсов (ГИ). Тактовые импульсы, необходимые для работы БЗУ, вырабатывает специальный генератор тактовых импульсов (СГ). Цифровой сигнал вместе с тактовыми и синхронизирующими импульсами поступает на вход канального кодера (КК), с помощью которого согласуются характеристики записываемой информации с характеристиками канала записи-воспроизведения. Канальный кодер выполняет те же функции, что и модулятор
Таблица 18.1
Формат записи	Тип записи	Сигнал	Тип ленты	Ширина ленты, мм	Скорость движения ленты, мм/с	Стандарт кодирования	Компрессия	Отношение сигнал/шум, дБ
U-matic	Аналоговая	Y/C	Оксидная	19,01	95,3		-	46
VHS	Аналоговая	Композитный	Оксидная	12,65	23,39		—	43
S-VHS	Аналоговая	Y/C	Оксидная	12,65	23,39		—	45
Hi8	Аналоговая	Y/C	Металлопорошковая	8	20,5		-	44
МП	Аналоговая	Компонентный	Металлопорошковая	12,65	66,2		—	49
Betacam	Аналоговая	Компонентный	Оксидная	12,65	101,5		—	48
Betacam SP	Аналоговая	Компонентный	Металлопорошковая	12,65	101,5		-	51
DI	Цифровая	К омпонентный	Оксидная	19,01	286,9	4:2:2	—	56
D2	Цифровая	Композитный	Металлопорошковая	19,01	131,7	4fsc	-	53
D3	Цифровая	Композитный	Металлопорошковая	12,65	83,88	4fsc	—	54
D5	Цифровая	Компонентный	Металлопорошковая	12,65	167,228	4:2:2	Для ТВЧ 4:1	62
Digital Betacam	Цифровая	Компонентный	Металлопорошковая	12,65	96,7	4:2:2	2:1 (внутриполе-вой метод DCT)	55
Betacam SX	Цифровая	Компонентный	Металлопорошковая	12,65	59,575	4:2:2	10:1 (MPEG-2 4:2:2 P@ML)	>51
DV	Цифровая	Компонентный	С напылением металла	6,35	18,831	4:2:0 (PAL) 4:1:1 (NTSC)	5:1 (внутр ii-кадровый метод DCT)	54
DVCPRO	Цифровая	Компонентный	Металлопорошковая	6,35	33,813	4:1:1	5:1 (вну три-кадровый метод DCT)	54
DVCPRO50	Цифровая	Компонентный	Металлопорошковая	6,35	67.626	4:2:2	5:1 (вну три-кадровый метод DCT)	62
DVCAM	Цифровая	Компонентный	С напылением металла	6.35	28.2	4:2:0 (PAL) 4:1:1 (NTSC)	5:1 (вну три-кадровый метод DCT)	54
Digital-S	Цифровая	Компонентный	Металлопорошковая	12,65	57.8	4:2:2	3,3:1 (вну три-кадровый метод DCT)	55
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
502
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.25. Структурная схема цифрового видеомагнитофона
в обычном аналоговом видеомагнитофоне.
Сформированный код подается на усилитель записи УЗ, и сигнал записывается на магнитную ленту универсальной головкой.
В режиме воспроизведения происходит преобразование цифрового сигнала в аналоговый в обратном порядке. Пбсле усиления в У цифровой сигнал поступает на декодер Дк и дескремблер Дс, преобразующий канальный код в исходную структуру сигнала. Для восстановления исходной скорости передачи используются блоки БЗУз и БЗУ4, работающие поочередно. Скорость записи информации в них больше, чем скорость считывания, причем частота считывания выбирается равной тактовой частоте входного сигнала. В результате такой работы БЗУз и БЗУ 4 цифровой поток вновь оказывается непрерывным. Коммутаторы Кз и К4 предназначены для переключения БЗУ, а генератор тактовых импульсов ГТИ — для выборки информации из БЗУ с тактовой частотой.
После БЗУ цифровой сигнал поступает на декодер корректирующего кода (ДкКК), в котором обнаруживаются и корректируются ошибки. Процессы детектирования и декодирования синхронизируются тактовыми импульсами, выделенными из воспроизводимого кода. В заключение в ЦАП происходит преобразование цифрового сигнала в аналоговый, после чего он поступает на выход канала изображения.
В канале воспроизведения синхроимпульсы с помощью специального устройства отделяются от общего цифрового сигнала и подаются в соответствующие цепи управления. На структурной схеме не показан целый ряд узлов и блоков цифрового видеомагнитофона, предназначенных для коррекции искажений как цифрового сигнала, так и искажений, характерных для записи на магнитную ленту.
Исследования в области цифровой записи телевизионных сигналов позволили МККР принять рекомендации на некоторые параметры цифровой записи. Исходя из международного стандарта на
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
503
параметры цифрового телевидения предусматривалась дискретизация раздельных яркостного Еу и цветоразностных сигналов E'R_y и Е'в_у с частотами 13,5 и 6,75 МГц соответственно (стандарт 4:2:2). В этом случае суммарный цифровой поток сигнала изображения равен 216 Мбит/с при 8 битах па один отсчет. Для записи звукового сопровождения рекомендовалось использовать четыре канала с частотой дискретизации 48 кГц, квантованные равномерно при 20 разрядах на отсчет. Суммарный цифровой поток звукового сигнала равен примерно 4 Мбит/с.
В 1986 г. на пленарном заседании МККР был утвержден формат цифровой видеозаписи D1. Рассмотрение принципов работы этого формата позволяет разобраться в существе технических решений, которые лежат в основе функционирования систем цифровой магнитной записи [82].
В формате D1 телевизионный сигнал и звуковые сигналы записываются на одной наклонно-строчной магнитной дорожке. Записываются только активные строки по 300 строк в каждом ноле для стандарта 625/50 и по 250 строк в каждом поле для стандарта 525/60. Число отсчетов изображения, приходящихся на активную часть телевизионной строки, равно 720 для сигнала яркости Еу и 2x360 для цветоразностных сигналов ER_y и Е'в_у. Одно телевизионное поле в системе 625/50 записывается на 12 дорожках (в 24 видеосекторах или шести сегментах), а в системе 525/60 — на 10. Звуковое сопровождение записывается в 48 звукосекторах, образующих три сегмента.
Используется магнитная лента шириной 19,01 мм. Магнитный слой образован из окиси металла, он позволяет записывать сигнал с минимальной длиной волны 0,9 мкм. Продольная плотность записи 2,2 кбит/мм. На магнитной лепте располагаются три продольные дорожки (рис. 18.26). Первая дорожка шириной 0,7 мм предназначена для записи сигналов монтажа звукового сопровождения для слухового поиска фрагментов фонограммы. На второй дорожке записывается цифровой сигнал адресно-временного кода, ширина дорожки 0,5 мм. И наконец, на третьей дорожке записывается цифровой сигнал управления, ширина дорожки 0,3 мм.
На магнитной ленте под углом 5°24,02" к базовому краю расположены дорожки записи шириной 40 мкм (защитный промежуток 5 мкм) и длиной 170 мм, на которых записываются видео- и звуковые сигналы. Любая наклонная дорожка содержит два видеосектора, каждый длиной 77,79 мм, а также четыре звукосектора в центральной части шириной по 2,56 мм и с промежутком 1,24 мм, а затем снова видеосектор. В стандарте разложения 625 строк на 12 дорожках (одно телевизионное поле) размещается 24 видеосектора и 48 звуковых секторов. При таком расположении информации влияние растяжения и механических повреждений магнитной ленты на качество воспроизводимого звука минимально. Скорость перемещения магнитной ленты 286,9 мм/с.
504
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.26. Формат записи D1 компонентного цифрового ТВ сигнала
При внедрении цифровой записи в технологию видеопроизводства важно обеспечить возможность цифровой обработки ТВ сигналов в любом из существующих в настоящее стандартах, в том числе для разных частот разверток. В этом случае обеспечивается совместимость стандартов разверток при записи и воспроизведении в а I еж д у народном хм ас ш табе.
Рассмотрим. как достигается это требование в цифровых видеомагнитофонах. Как известно, плотность записи определяется продольной и поперечной плотностями записи и выражается соотношением b = mh. где т — коэффициент плотности записи, бит/мкм2. Л — шаг записи, мкм: если обозначить через г скорость записи сигнала. бит/с. то зная расход носителя записи р. мкм/с. получим г = Ьр. В этом случае длина дорожки, мкм. необходимая для записи временного интервала, равного длительности одного ТВ поля Топ с частотой f-2n — ^/Т-2п будет L = гТ?п/Ь. Если в это выражение подставить реальные значения, то получим длину записи одного поля L. равную нескольким метрам. Отсюда следует, что реализовать компонентную магнитную запись цифрового сигнала возможно только путем сегментации на S наклонных дорожек записи или разделения сигнала на Л' параллельных каналов. Следовательно, длина отдельной дорожки записи I = L/S = vTzn/bS. Если принять, что скорость записи г соответствует Рекомендации МККР 11/601 по компонентному цифровому кодированию, число каналов Лг постоянно (число головок записи и воспроизведения постоянно), а частота полей равна 50 и 60 Гц. необходимо соблюдение соотношения bSi/bSo- Наличие* одинакового числа сегментов S[ = So с различной плотностью записи m в системах 625/50 и 525/60 нецелесообразно, так как это приводи । к увеличению расхода носителя, вызывает конструктивные трудное! и. изменяется полоса частот в системах 625/50 и 525/60. а это upe i ьявляст различные требования к коррекции. Поэтому продольная ii.’ioiiiocri) записи сохраняется постоянной величиной, а требова
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сйгналов
505
ние совместимости системы 625/50 и 525/60 реализуется изменением числа сегментов в отношении 6:5.
18.9.	Перспективы развития магнитной записи телевизионных сигналов
Чем совершеннее методы записи, чем выше эксплуатационные характеристики видеомагнитофонов, тем больше возможности их использования. На начало 2002 г. хмагнитная запись ТВ изображений является наиболее распространенным способом подготовки и консервации ТВ программ по совокупности технических, эксплуатационных и экономических свойств.
Дальнейшее развитие систем записи ТВ сигналов пойдет по пути усовершенствования способов записи, улучшения технических, эксплуатационных характеристик головок и лент, применения в электронных узлах видеомагнитофонов новых интегральных схем и хми-кропроцессоров.
Уже сегодня в большинстве ТВ компаний осуществлен переход на цифровые видеомагнитофоны, работающие на лентах шириной 12.65. 8.0 и 6.35 мм. При этом характеристики качества изображения. воспроизводимого видеомагнитофонами, существенно повышены в связи с разработкой новых магнитных лент с высокой отдачей, магнитных головок с увеличенным сроком службы. Применение в аналоговых видеомагнитофонах цифровых меюдов обработки и коррекции ТВ сигналов также позволило улучшить их характеристики.
Благодаря автоматизации процесса подготовки программ, творческие и технические работники получают новые' возможности электронного монтажа с широким набором двумерных и трехмерных спецэффектов. В аналоговые видеомагнитофоны внедряются устройства кадровой памяти. С помощью этих устройств улучшаются показатели качества изображения и расширяются технические возможности видеомагнитофонов. На основе устройств кадровой памяти создано большое число различных спецэффектов, которые позволяют уменьшать или увеличивать размеры изображений, переворачивать его по вертикали и горизонтали и др. Это значительно повышает художественные возможности при создании и оформлении ТВ программ. Созданы цифровые шумоподавители. которые позволяют увеличить число перезаписей одного и того же сюжета в аналоговых видеомагнитофонах до 10-20 раз. Появилась возможность широкого внедрения синхронной работы видеомагнитофонов с различными датчиками ТВ сигналов, записи отдельных кадров в любое место программы. создания мультипликационных фильмов и др.
Увеличилась плотность записи, что определяет расход носителя на 1 ч программы. Плотность записи — один из важнейших техникоэкономических параметров видеомагнитофонов.
506
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Кассетные видеомагнитофоны, которыми оснащаются современные видеостудии, имеют встроенные микропроцессорные системы автоматического управления и поиска фрагментов видеозаписи по заданной программе, системы автоматической заправки кассет различной емкости и габаритов. Широкое внедрение цифровых видеомагнитофонов упрощает согласование систем видеозаписи с цифровыми компьютеризированными комплексами — системами нелинейного монтажа, видеосерверами, системами цифрового ТВ вещания. Можно уверенно предсказать широкое внедрение в технику записи ТВ сигналов методов сокращения избыточности цифровых потоков информации на основе дискретного косинусного преобразования, положенного в основу технологий MPEG-2, MPEG-4. За цифровой записью будущее, и цифровая запись со временем полностью вытеснит аналоговую.
При внедрении систем магнитной цифровой записи особое внимание необходимо уделить выбору формата записи, обеспечивающего наиболее высокую плотность записи (бит/мм), стандартные (рекомендованные МККР) частоты дискретизации, использующего отработанные методы компрессии видеоданных и т.д. Вместе с тем цифровые технологии позволяют использовать аналоговую ТВ аппаратуру и большой архив видеозаписей, накопленный и хранимый телекомпаниями в аналоговой форме. Применяемый до сих пор в отдельных телекомпаниях формат магнитной записи D2, разработанный фирмами Ашрех и Sony, предполагает запись композитного сигнала стандарта NTSC и PAL. Записываемый в формате D2 цифровой поток достигает 154 Мбит/с. Плотность записи в формате D2 выше, чем формате D1, благодаря азимутальной записи (встречному развороту рабочих зазоров магнитных головок), позволяющей отказаться от защитных промежутков между дорожками записи. В формате D3 (также композитном формате, по многим характеристикам подобном D2) достигнута высокая плотность записи — 13,7 Мбит/см2, что позволило в два раза сократить расход ленты. В формате D3, как и в D2 используется частота дискретизации, равная 17,73 МГц для преобразования в цифровую форму сигналов системы PAL (четвертая гармоника цветовой поднесущей 4,43 МГц).
Фирмой Panasonic разработан компонентный формат записи D5 при уровневОхМ квантовании 10 бит. Переход к компонентному сигналу вдвое увеличил поток видеоданных, поэтому вдвое повышена скорость протяжки ленты, т.е. вдвое возрос ее расход. В формате D5 поток видеоданных достигает 270 Мбит/с.
Предварительное сжатие информационного потока перед записью путем устранения избыточности открывает новые возможности видеозаписывающей аппаратуры. Примером является формат Betacam-SX, объединивший достижения цифровых технологий, отработанных при создании вещательных систем цифрового ТВ и в предшествующих цифровых форматах видеозаписи. Цифровое кодирова
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
507
ние осуществляется по стандарту 4:2:2. Коэффициент сжатия видеоданных достигает значений 10:1. Используется алгоритм компрессии стандарта MPEG-2. Компрессированный поток данных составляет 18...21 Мбит/с вместе с сигналами звукового сопровождения.
Предварительное сжатие информационного потока перед записью за счет устранения избыточности используется и в других форматах цифровой профессиональной и бытовой видеозаписи (например, цифровые форматы семейства DV — miniDV, DVCAM, DVCPRO, DVCPRO50). Совершенствование элементной базы открывает широкие возможности упрощения аппаратуры, улучшения ее габаритно-весовых показателей, снижения потребляемой мощности. И в дальнейшем цифровая запись телевизионных сигналов будет развиваться по пути совершенствования методов кодирования, улучшения эксплуатационных и качественных показателей, расширения функциональных возможностей.
18.10.	Бытовые видеомагнитофоны
На первом этапе развития систем бытовой видеозаписи видеомагнитофоны, предназначенные для использования населением, отличались чрезвычайно большим разнообразием как по форматам записи, так и по конструкции. Новые форматы записи разрабатывались с целью устранения недостатков предыдущих форматов. Первостепенной задачей конструкторов новых бытовых видеомагнитофонов являлось сокращение расхода ленты. Эта задача решалась уменьшением скорости движения ленты и ее ширины, уменьшением граничной длины волны записи Amin, ширины дорожек записи и промежутков между ними.
В наиболее распространенных бытовых видеомагнитофонах формата VHS (Video Home System) используется наклонно-строчная запись двумя диаметрально расположенными вращающимися головками. На базе такого метода осуществляется запись одного поля телевизионного изображения на одной дорожке записи. Благодаря ряду новых технических решений, предложенных фирмой JVC, автора формата VHS, появилась возможность использования кассеты с автоматической заправкой ленты в лентопротяжный механизм и сокращения расхода ленты за счет уменьшения ширины дорожек записи и устранения промежутков между ними. Запись сокращенного спектра сигнала яркости потребовала выделения из него сигнала цветности и переноса поднесущей сигнала цветности вниз по частоте для записи его в одном канале с частотно-модулированным сигналом яркости. В видеомагнитофонах формата VHS осуществлено эффективное подавление помех от соседних дорожек записи с помощью встречного разворота рабочих зазоров видеоголовок по азимуту. Высокая продольная плотность записи благодаря применению улучшенных магнитных лент и головок (Amjn « 1 мкм) позволяет записать на стандартную кассету ТВ программы длительностью до 4 ч в режиме SP
508
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
(Standard playback) и до 8 ч в режиме LP (Long-play). Однако сокращение полосы частот по каналу яркости примерно до 3,0 МГц (с записью одной боковой ЧМ сигнала) и по каналу цветности до 0,5...0,8 МГц, естественно, приводит к ухудшению четкости, что для любительских целей вполне приемлемо.
Наряду с форматом VHS Международной электротехнической комиссией (МЭК) стандартизован кассетный аналоговый формат Video-8 (на пленке шириной 8 мм) фирмы Sony. Основные технические решения, используемые в этих видеомагнитофонах, сходны, однако данный формат наиболее широко применен в любительских видеокамерах Handycam.
В нашей стране бытовые видеомагнитофоны формата VHS стали наиболее популярными благодаря выпуску на отечественных заводах лицензионной модели видеомагнитофона типа «Электроника ВМ-12». В этих видеомагнитофонах используется лента шириной 12,65 мм, помещенная в кассету размерами 188х 104x25 мм. Скорость движения ленты 23,39 мм/с, а скорость лента-головка — 4,84 м/с. При записи принята следующая расстановка частот для сигналов яркости: уровень белого 4,8 МГц, синхроимпульсов 3,8 МГц. Верхняя боковая полоса ЧМ сигнала полностью подавляется, а нижняя записывается в диапазоне 1,2...4,3 МГц. Так как из-за ограничения верхней полосы частот сигнала яркости запись сигналов цветности в полной полосе непосредственно не представляется возможной, полоса частот канала цветности сужается до 0,74 МГц. После этого поднесущая сигнала цветности переносится в диапазон частот 0,36... 1,1 МГц и суммируется с ЧМ сигналом яркости. Сигнал яркости записывается с оптимальным током записи, а сигнал цветности — уменьшенным на 20...22 дБ током, чтобы не возникли перекрестные искажения.
При воспроизведении сигналы усиливаются, разделяются фильтрами, ЧМ сигнал яркости демодул и руется, а сигналы цветности переносятся в диапазон частот 3,8...4,5 МГц, суммируются с сигналом яркости и поступают на формирователь композитного сигнала в одной из стандартных вещательных систем цветного ТВ (NTSC, PAL, SECAM).
Сигналограмма формата VHS показана на рис. 18.27. В верхней части ленты располагаются две звуковые дорожки 1 и 3, между ними — защитный промежуток 2. На нижнем крае ленты записывается дорожка сигнала управления 4- Видеосигнал записывается двумя вращающимися головками, расположенными под углом 180° на барабане диаметром 62 мм. Частота вращения барабана 1500 об/мин. Рабочие зазоры видеоголовок развернуты под углом ±6° относительно перпендикуляра к направлению движения головок. Каждая головка записывает одно поле изображения, а угол обхвата барабана видеоголовок лентой немного превышает 180°. Это создает перекрытие во времени сигналов, воспроизводимых видеоголовками, примерно на три телевизионные строки. Видеоголовки коммутируются сигналом
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
509
Рис. 18.27. Формат записи VHS (ширина ленты 12,65 мм)
датчика оборотов барабана с частотой 25 Гц примерно за 5-8 строк до начала синхронизирующего импульса полей [82].
Видеомагнитофоны формата VHS имеют, кроме этого, блок неподвижных головок (стирающая головка, звуковая головка и головка управления).
Как было отмечено, запись сигналов изображения без межстрочных промежутков повышает плотность записи и дает выигрыш в расходовании ленты. Примыкание вплотную дорожек записи, естественно, ухудшает отношение сигнал/помеха, так как видеоголовки при воспроизведении захватывают часть соседней дорожки. Для подавления помех от соседних дорожек рабочие зазоры видеоголовок развернуты по азимуту. Эффективность такого решения позволила также уменьшить ширину дорожек записи. Уменьшение ширины дорожек записи при воспроизведении видеоголовками с заметно большей шириной полюсных наконечников, т.е. с большей длиной рабочего зазора, приводит к тому, что видеоголовка одновременно воспроизводит сигнал со своей и соседней дорожки записи. Как уже отмечалось, разворот в разные стороны рабочих зазоров видеоголовок на угол ±6° обеспечивает изменение направления намагниченности соседней дорожки на значение двойного угла наклона рабочих зазоров. При правильном воспроизведении строчки записи ориентации намагниченности ленты и зазора совпадают, а при воспроизведении соседних строчек — не совпадают. Возникающие при этом азимутальные потери значительно уменьшают уровень воспроизводимого мешающего сигнала, следовательно, повышается отношение сигнал/помеха.
Записываемый сигнал разделяется фильтром на яркостную и цветовую составляющие. На рис. 18.28,а показаны частоты, определяющие полосы пропускания фильтров, разделяющих сигнал яркости и цветности. На рис. 18.28,5 показаны характеристики сигналов яркости и цветности после преобразования спектра. Сигнал цветности Вц располагается в нижней части спектра. Девиация частоты равна 1 МГц.
Упрощенная структурная схема канала изображения видеомагнитофона формата VHS дана на рис. 18.29. Полный сигнал изо-
510
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.28. Амплитудно-частотные характеристики фильтров разделения сигналов яркости и цветности (а) и АЧХ сигналов яркости и цветности после преобразования (6)
Рис. 18.29. Укрупненная структурная схема канала изображения видеомагнитофона формата VHS (SECAM)
бражения, кодированный по системе SECAM, поступает на регулируемый усилитель 1, обеспечивающий постоянный уровень сигнала, не зависящий от уровня входного сигнала. Для управления размахом сигнала на регулируемый входной усилитель 1 подается постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде синхросигнала, от детектора АРУ 2. С выхода усилителя 1 через коммутатор записи-воспроизведения (3-В) сигнал изображения поступает на ФНЧ 3 с полосой пропускания 3,3 МГц. При записи черно-белого изображения сигнал снимается с ФНЧ 4 с полосой пропускания 4,1 МГц. Переключение осуществляется коммутатором а. Полный сигнал цветного телевидения также поступает на полосовой фильтр 9. который выделяет сигнал цветности Ц. С выхода ФНЧ 3 или 4 сигнал яркости через потенциометр, регулирующий девиацию частоты частотного модулятора при записи, поступает на цепи предкоррекции сигнала яркос ти 5 и далее на схему фиксации уровня сигнала и ограничители. Схема НЧ предкоррекции 5 обеспечивает подъем ВЧ составляющих модулирующего сигнапа яркости в диапазоне частот 1...3 МГц.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
511
Компенсация предыскажений при воспроизведении улучшает отношение сигнал/помеха за счет ослабления ВЧ составляющих помехи в полосе частот 1...3 МГц.
При передаче резких перепадов сигнала яркости в результате подъема высоких частот в 5 возникают значительные выбросы, амплитуда которых превосходит допустимые значения. Выбросы создают помехи на яркостных переходах, поэтому необходимо их ограничение. Сигнал яркости после двустороннего ограничения в блоке 6 поступает на частотный модулятор 7. Далее ЧМ сигнал яркости через включенный при записи цветных программ ФВЧ блока 8 через регулятор уровня поступает в смеситель 14 и далее на усилитель записи 15.
Выделенный полосовым фильтром и фильтром коррекции ВЧ предыскажений с полосой пропускания 0,8 МГц 9 сигнал цветности системы SECAM поступает на двусторонний ограничитель 10 и на делитель частоты или гетеродин 11. С помощью этого делителя (деление на четыре) или гетеродина спектр сигнала цветности переносится в низкочастотную область частот ТВ сигнала. На выходе 11 получается ЧМ сигнал цветности с постоянной, не зависящей от уровня входного сигнала амплитудой с поднесущими 1,1 МГц для сигнала ElR_Y и 1,06 МГц для сигнала Е'в_у. Высокочастотные составляющие спектра подавляются ФНЧ 12 с полосой пропускания 1,5 МГц. При записи сигналов в системе SECAM ЧМ сигнал цветности подвергается предкоррекции с минимумом АЧХ корректирующего фильтра, соответствующим частоте 4,286/4 = 1,07 МГц в блоке 13. Сигнал цветности с введенными ВЧ предыскажениями через регулятор уровня смешивается с частотно-модулированным сигналом яркости в блоке Ц и далее через усилитель записи 15 и коммутатор 3-В поступает на головки записи Гх и Г2.
Во время отсутствия поднесущей при передаче гасящих и синхронизирующих импульсов полей и строк канал цветности запирается синхронизирующими импульсами.
В режиме воспроизведения ЧМ сигнал с головок Гх и Г2 поступает через коммутатор 3-В на усилители 16 и 17. На выходе этих усилителей сигналы с обеих видеоголовок выравниваются и объединяются в один непрерывный сигнал с помощью коммутаторов ЭК1 и ЭК2, которые управляются специальным сигналом от датчика оборотов барабана видеоголовок с частотой 25 Гц. Далее регулируют АЧХ усилителей воспроизведения 16 и 17, компенсируя разброс индуктивностей видеоголовок, вращающегося трансформатора и входной емкости, добиваясь идентичности этих характеристик. С регулятора баланса Пх воспроизведенный частотно-модулированный сигнал поступает на ФВЧ 18 с нижней граничной частотой 1,5 МГц (для подавления сигнала цветности) или в обход при воспроизведении чернобелого изображения. В блоке 19 происходит компенсация выпадения воспроизводимого с ленты сигнала. Пораженный сигнал заменяется
512
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
сигналом предыдущей строки. Далее ЧМ сигнал яркости ограничивается по амплитуде с помощью двустороннего ограничителя 20, устраняющего паразитную AM сигнала, и поступает на демодулятор 21. Демодулированиый сигнал яркости подается па схему коррекции НЧ предыскажений 22, вводимых в блоке 5 перед записью. Спад АЧХ на частотах 1...3 МГц позволяет заметно ослабить влияние помех. Для подавления частотно-модулированного сигнала на выходе демодулятора сигнал яркости проходит ФНЧ 23 и далее через переключатель 3-В, ФНЧ 4 и потенциометр регулировки уровня воспроизведения поступает на смеситель 29, где смешивается с сигналом цветности.
Воспроизводимый сигнал цветности выделяется низкочастотным фильтром с полосой пропускания 1,5 МГц и далее, в блоке 25, после коррекции ВЧ предыскажений с центральной частотой 1,07 МГц поступает на ограничитель и умножитель на четыре в блоке 26. Восстановленный сигнал цветности выделяется полосовым фильтром 21. Сигнал цветности подвергается ВЧ предкоррекции фильтром 28 с минимумом АЧХ на частоте 4,28 МГц. Далее сигнал цветности в блоке 29 смешивается с сигналом яркости. На выходе блока 29 получается полный цветной ТВ сигнал, который можно подать на низкочастотный вход телевизионного приемника или через ВЧ конвертор, где он смешивается с сигналом звукового сопровождения, на антенный вход. Во время отсутствия цветовой поднесущей канал воспроизведения сигнала цветности запирается импульсами, выделяемыми селектором синхроимпульсов из воспроизводимого сигнала. При записи черно-белых изображений с помощью детектора 24 каналы записи и воспроизведения сигнала цветности блокируются, а в канале яркости включаются фильтры с более широкой полосой пропускания.
Видеомагнитофоны формата VHS широко распространены во всем мире и составляют примерно 90 % всего парка бытовых видеомагнитофонов.
В связи с тем, что формат записи VHS не обеспечивает вещательное качество изображения по разрешающей способности и отношению сигнал/помеха, особенно для стандарта 625/50, фирмой JVC был разработан формат S-VHS (Super-VHS). Запись сигналов по этому формату обеспечивает более высокое качество изображения. На рис. 18.30 приведена АЧХ сигналов яркости и цветности для формата S-VHS. Как видно из рисунка, в формате S-VHS существенно расширена полоса частот сигнала яркости — частота ЧМ поднесущей увеличена по сравнению с форматом VHS. Частота, соответствующая уровню белого, составляет 7 МГц, а уровень синхроимпульсов 5,4 МГц. Изменяя диапазон девиации частот для записи информации в канале яркостного сигнала, удалось увеличить частотный диапазон канала яркости от 3,2 МГц (VHS) примерно до 5 МГц (S-VHS). Эго позволило получить разрешающую способность по горизонтали
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
513
Аус
( _	Девиация частоты
Сигнал а	1,6 МГц
цветности Яркостный сигнал h<——-—>
8 Т МГц Максимальный уровень белого
Рис. 18.30. Частотная характеристика видеосигнала формата S-VHS
400 ТВл (по сравнению с 240 ТВл для формата VHS) и снизить перекрестные помехи. Увеличение девиации частоты с 1 до 1,6 МГц позволило повысить отношение сигнал/помеха и динамический диапазон, т.е. улучшить контраст изображения.
В видеомагнитофонах S-VHS применена очень тонкая магнитная лента с частицами гамма-окиси железа, модифицированная кобальтом (толщина магнитного слоя менее 1 мкм). Применение такой ленты повысило плотность записи, улучшило частотные характеристики, увеличило амплитуду сигналов. Для формата S-VHS (так же как и для VHS) предусмотрены два режима: SP со скоростью ленты 3,3 см/с и длительностью записи на одной кассете 120 мин и LP — 1,1 см/с и 360 мин соответственно [83].
Повышенные качественные показатели видеомагнитофонов формата S-VHS позволяют отнести их к полупрофессиональной видеоаппаратуре.
Видеомагнитофоны формата S-VHS, могут читать и воспроизводить видеозаписи формата VHS. Имеется несколько модификаций видеомагнитофонов этого формата. Отличия касаются в основном способов обработки сигналов цветности, что в итоге влияет на возможность многократного копирования с оригинала последующих копий. Первоначально способ записи и обработки сигналов цветности не обеспечивал удовлетворительного результата. Это приводило к одному из существенных недостатков формата S-VHS, заключающемуся в том, что уже вторая или третья копия не соответствовала требованиям к качеству изображения в профессиональном видеопроизводстве. Однако последующие усовершенствования формата привели к созданию используемого до настоящего времени полупрофессионального видеомагнитофона формата S-VHS, использующего способы обработки сигналов цветности, позволяющие повысить эффективность системы S-VHS при многократном копировании. Последние модели аппаратуры S-VHS снабжены встроенными блоками дополнительной обработки сигналов цветности, что позволило значительно улучшить качество ТВ изображения.
514
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
18.11.	Цифровая запись видеосигналов на диски
Первые разработки систем записи видеоинформации на видеодиски появились в начале 70-х годов. Прежде появились системы, использующие механическую запись, затем емкостную и, наконец, оптическую. Устройства для записи и воспроизведения изображений, видеофильмов и ТВ программ на видеодиски свободны от недостатков, присущих системам записи на магнитную ленту. Достаточно высокая плотность записи, произвольный и быстрый доступ к любому фрагменту записи, возможность практически неограниченного числа воспроизведений без потери информации являются несомненным преимуществом таких систем, благодаря чему они, наряду с кассетными цифровыми видеомагнитофонами становятся все более популярными. Другим важным преимуществом видеодисков является низкая стоимость носителя записи. Ресурс работы в оптических видеопроигрывателях (не менее 5000 ч) при бесконтактном считывании информации ограничен в основном ресурсом считывающей (записывающей) лазерной оптической головки. Быстрый доступ к любому участку записанной на диске информации позволяет увеличить быстродействие систем поиска информации. Возможность воспроизведения относительно простыми средствами ускоренного, замедленного и неподвижного изображений — еще одно достоинство дисковых систем.
Звуковые компакт-диски появились в 1982 г., а в 1997 г. — диски DVD (Digital Versatible Disk). Им предшествовали аналоговые лазерные видеодиски (Laser Vision Discs), очень близкие к цифровым дискам CD и DVD по технологии изготовления, устройству и принципу действия. Однако они не удовлетворяли требованиям к качеству воспроизводимого изображения и плотности записи. С появлением в компьютерной технике дисков CD-ROM возникла необходимость унификации как параметров записи, так и размеров дисков. Развитие оптической записи пошло по пути совершенствования как механизма оптической записи, так и метода записи. Использовались более современные материалы для дисков и лазеры для видеопроигрывателей, совершенствовались методы цифровой записи [84].
Независимо от записываемого сигнала, аналогового или цифрового, процесс оптической записи имеет дискретный характер. На рабочем слое диска записываются два уровня, соответствующие двум возможным состояниям активного слоя.
Цифровой многопрофильный диск DVD представляет собой класс новых оптических дисковых устройств, применяемых в видео-, аудио-, мультимедиа- и компьютерных системах. Возможность широкого применения системы DVD обеспечивается ее физическими параметрами, а также ее информационной емкостью. Именно в DVD технологиях наиболее полно воплотились основные преимущества дисковых систем — высокая информационная плотность записи, быстрая произвольная выборка необходимого фрагмента программы.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
515
высокое качество изображения и звука, простота обращения и возможность массового тиражирования без потери качества. В настоящее время видеодисковые системы широко применяются в информационных, интерактивных учебных центрах, в видеопроизводстве и ТВ-вещании, в быту. DVD позволяют воспроизводить изображения, снятые с различных ракурсов (если они записаны на диске), выбирать различные сюжетные версии видеофильмов, в зависимости от действий пользователя (варианты интерактивного просмотра программ), вводить многоязычное звуковое сопровождение или субтитры, в любой момент ускорять или «замораживать» изображения без потери качества. Все эти операции могут осуществляться с помощью органов дистанционного управления видеопроигрывателем. Цифровой стереозвук или многоканальное звуковое сопровождение — «звук вокруг» — повышают эффект присутствия.
Длительность записи цифрового ТВ сигнала вещательного качества на диске DVD информационной емкостью 4,7 Гбайт без применения разработанных в настоящее время методов компрессии (в виде линейного ИКМ сигнала при 8-битовом квантовании и скорости цифрового потока 216 Мбит/с) составит всего t = (4700 • 8)/216 = = 174 с ~ 3 мин (только сигнала изображения). Следовательно, записать цифровую видеоинформацию без использования современных методов компрессии сигнала практически нереально. В системе DVD применяется способ компрессии по стандарту MPEG-2. Используя стандарт MPEG-2, удается записать на диск DVD телевизионную программу длительностью 120 мин и более (односторонний диск с одним рабочим слоем). Для повышения плотности записи, сохраняя высокое качество изображения, сигнал предварительно обрабатывается и компрессируется. Применение компрессии сигналов по способу MPEG-2, повышение качества коррекции ошибок по сравнению с обычным компакт-диском (CD) обеспечивают высокое качество изображения и звука и позволяют записывать на диске полнометражный художественный фильм с высоким качеством изображения, многоканальным звуком и дополнительной информацией. Широкая область возможных применений DVD дисков дает основание называть их многопрофильными. Это и высококачественная запись кинофильмов со стереофоническим или «сэроунд»-звуком, запись только звука — больших концертов с высокими характеристиками звуко-передачи, компьютерные программы и другие комбинации изображений звуков и текстов. Диски с записью видеофильмов называют DVD-Video, с записью только аудиопрограмм — DVD-Audio, компьютерных программ — DVD-ROM.
Внешне диски DVD и CD очень похожи: имеют одинаковые размеры (диаметр 120 мм, толщину 1,2 мм и диаметр посадочного отверстия 15 мм) и отличаются только меньшим шагом витков дорожки записи и меньшими размерами питов (pit — углубление, впадина, ямка) у DVD. Информационная емкость диска DVD значительно боль
516
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
ше, чем у дисков CD, и составляет у однослойных, односторонних дисков 4,7 Гбайт или примерно 37,6 Гбит. Дорожка записи располагается на диске DVD с шагом а = 0,74 мкм. Приблизительно полную длину дорожки записи I можно определить из следующих соображений. Если R и г — радиусы внешней и внутренней границ записи на диске, то при R — 58 мм и г = 23 мм получим: /внешн = 2тгЯ = = 2 • 3,14 • 58 = 364,24 мм; /внутр = 2тгг = 2 • 3,14 • 23 = 144,44 мм; число дорожек А = (R — т)/а = (58 — 23)/а = 35/0,74 • 10-3 = 47297. Полная длина дорожек записи (364,24 • 47297 + 144,44 • 47297)/2 = = (17227,459 + 6810,768)/2 = 24038,227/2 = 12019 м 12 км. Отсюда определяется минимальная протяженность элементарной ячейки (минимальная длина пита): 12 • 109/37,6 • 109 = 0,32 мкм/бит.
Практически реализуемая минимальная длина питов в дисках DVD составляет значение порядка 0,4 мкм. (В дисках CD шаг записи а = 1,6 мкм, а минимальная длина пита 0,83 мкм.) Питы могут располагаться вдоль концентрических круговых дорожек или вдоль одной спиральной дорожки диска. Информация воспроизводится в первом случае с постоянной угловой скоростью, во втором — с постоянной линейной скоростью. Для записи ТВ сигналов первый случай более предпочтителен, так как на одной окружности размещается один кадр. При этом достигается соответствие номера кадра и номера дорожки, легко и быстро осуществляется поиск необходимого фрагмента, возможны разные режимы работы, такие как стоп-кадр и др. Однако при записи-воспроизведении с постоянной угловой скоростью практически вдвое уменьшается объем записанной информации. Это объясняется тем, что при постоянной угловой скорости с увеличением радиуса дорожки размеры пита пропорционально возрастают, следовательно, падает плотность записи. Поэтому, если существен объем информации, используют режим с постоянной линейной скоростью. Очевидно, что в этом случае размеры питов сохраняются одинаковыми на всех участках записи, поэтому максимальной остается плотность записи. Но в этом случае телевизионный кадр занимает полную окружность только на самой близкой к центру диска дорожке, на всех остальных дорожках — только часть окружности. Угловая скорость в этом случае не постоянна, а падает с увеличением радиуса круговой дорожки. Следовательно это усложняет конструкцию приводов, затрудняет поиск требуемых фрагментов, а воспроизведение стоп-кадра возможно только через кадровый накопитель [85].
Аббревиатура ROM обозначает Read Only Memory (записанную па диске информацию можно только считывать — нельзя стирать и вновь записывать). Практически большинство дисков DVD имеют запись, сделанную изготовителем, и ее можно только воспроизводить. Кроме не перезаписываемых дисков получают распространение диски DVD-R (Recordable — записываемый). На этих дисках пользователь может записать информацию только один раз и многократно воспроизводить. Диски DVD-RW (Rewritable) или DVD-RAM
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
517
(Random Access Memory) предназначены для многократной записи, воспроизведения и стирания информации непосредственно пользователем. Перед записью информации (видео-, аудио-, текстов и др.) на диски DVD сигналы специально обрабатывают: преобразуют в цифровую форму, подвергают компрессии и т.п. Каждый из записываемых сигналов обрабатывается отдельно и записывается на отдельных магнитных носителях. После компрессии все сигналы сводятся на один магнитный носитель, образуя дорожку с одной последовательностью цифровых импульсов. На этой дорожке попеременно записываются все сигналы, сгруппированные в блоки. Каждый блок содержит весь набор сигналов (видео, аудио и др.), передаваемый в короткий промежуток времени.
При воспроизведении необходимо предусмотреть возможность выделения из передаваемых блоков данных каждого сигнала, состыковать эти сигналы и распределить по своим каналам, обеспечивая синхронизацию изображения и звука. Такую операцию возможно производить без ухудшения качества воспроизведения благодаря высокой скорости передачи сигналов (до 9,8 Мбит/с). Для согласования этих потоков при записи сигналы в каждом блоке разделены импульсами управления и программирования. С обработанного и подготовленного магнитного носителя осуществляется перезапись сигналов на оригинал диска. Поток данных поступает на аппарат оптической записи оригинала. Подложкой оригинала является тщательно отполированный стеклянный диск с очень тонким слоем фоторезиста в виде жидкой затвердевающей композиции, толщина которого составляет 0,12 мкм, что соответствует глубине питов (рис. 18.31). Сигнал модулирует излучение ультрафиолетового газового лазера с диаметром пятна менее 0,4 мкм. Газовые лазеры, крупногабаритные и дорогостоящие, обеспечивают фокальное пятно малого диаметра. Остросфокусированный луч когерентного монохроматического света лазера позволяет получить на поверхности диска метки микронного размера. Применяются электрооптические модуляторы света. Принцип действия таких модуляторов основан па повороте плоскости поляризации света при изменении величины напряжения приложенного сигнала. Если на электроды подан сигнал, то возникающая напряженность электрического поля вызывает поворот плоскости поляризации света, обеспечивая его прохождение. При отсутствии сигнала плоскость поляризации не меняется и свет не проходит. В результате модуляции света и при вращении диска на фоторезисте возникают засвеченные и незасвеченные участки, соответствующие питам и промежуткам между ними.
После окончания записи диск промывается в жидкости, растворяющей засвеченные и не растворяющий незасвеченные участки фоторезиста. В результате этого на диске возникают дорожки записи. Слой фоторезиста покрывают тонкой пленкой серебра. Затем этот
518
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.31. Структура диска:
а — разрез вдоль дорожки; 1 — прозрачная подложка; 2 — питы; 3 — отражательный слой; 4 — защитный слой; 6 — вид сверху
Рис. 18.32. Фрагмент радиального разреза диска:
1 — прозрачная подложка; 2 — пит; 3— отражательный слой;
4 — попадание луча лазера на участок диска без питов; 5 — попадание луча лазера на пит
диск проходит этапы технологического процесса, в результате которого изготавливаются матрицы для прессования дисков. Вначале получают заготовку диска, которая представляет собой подложку из поликарбоната (термопластик с оптимальным для дисков DVD сочетанием физико-механических и оптических свойств) толщиной 0,6 мм с отпечатанными питами. Методом напыления в вакууме заготовки покрывают слоем алюминия толщиной в несколько долей микрометра (отражательный слой), поверх наносят непрозрачный защитный (холостой) слой также из пластмассы толщиной 0,6 мм (рис. 18.32). В результате такой технологии изготовления рабочий слой оказывается защищенным с одной стороны прозрачной пленкой, а с другой — защитным слоем.
В системах DVD для воспроизведения в видеопроигрывателях используют полупроводниковые лазеры (лазерные диоды), которые являются приборами массового применения, обладают малыми размерами, низкой стоимостью и длительным сроком службы. ’ Такие лазеры используют в аппаратуре с однократной и многократной записью.
Записываемые видеодиски подобны DVD только внешне. Они имеют другое строение и другую форму сигналограммы. Оптическая запись на этих дисках происходит непосредственно под воздействием лазерного луча и не требует обработки. Запись лазерным лучом происходит на том же носителе, с которого потом воспроизводится. При изготовлении DVD-R и DVD-RW на поверхности диска-заготовки из поликарбоната формируются непрерывные круговые канавки с выступами между ними. Выступы покрываются отражательным слоем,
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
519
Таблица 18.2
Характеристика	DVD-ROM	DVD-R	DVD-RW
Информационная емкость, Гбайт Диаметр, см Толщина, мм Принцип работы Длина волны лазера, нм Шаг записи, мкм Формат дорожек	4,7 на одну сторону 12 1,2 Записанные питы 650 — воспроизведение 0,74 Последовательность питов	•3,9, односторонний; 7,9, двусторонний 12 и 8 1,2 Изменение фазового < Модуляция интенс 635 — запись; 650 — воспроизведение 0,8 Канавки с выступами по краям	2,6, односторонний; 5,2, двусторонний ‘ 12 1,2 зостояния рабочего слоя :ивности света лазера 650 — запись и воспроизведение 0,74 Канавки с выступами по краям
а в канавках находится рабочий слой. Выступы и канавки используются в системах автотрекинга и автофокусировки и служат для позиционирования лазерного луча. Основные характеристики дисков DVD-ROM, DVD-R и DVD-RW приведены в табл. 18.2.
Диски для однократной записи DVD-R представляют собой основу из прозрачного материала, на поверхность которого нанесен рабочий слой и защитное покрытие. Запись основана на изменении фазового состояния рабочего слоя носителя. Сигнал регистрируется на очень тонком рабочем слое носителя остросфокусированным лучом лазера. Под воздействием тепла от лазерного излучения состояние пленки переходит из кристаллической фазы в аморфную, в результате чего меняется коэффициент отражения света пленкой. Образующиеся при этом питы представляют собой чередование кристаллических и аморфных участков пленки, которые отличаются отражательной способностью. Такой принцип записи-воспроизведения принят как в дисках DVD-R, так и DVD-RW, с тем отличием, что в дисках DVD-R рабочий слой изготовлен из органического материала, допускающего только однократную запись, т.е. однократное изменение фазового состояния слоя.
Существуют и другие технологии записи-воспроизведения на дисках DVD-RW, при которых требуются особые приемы обработки рабочей поверхности диска. Один из них — использование эффекта Фарадея при считывании информации с дисков. Этот эффект состоит в том, что свет, отраженный от поверхности намагниченных участков рабочего слоя диска, меняет плоскость поляризации. Принцип записи информации на такой диск основан на том, что некоторые материалы намагничиваются при малой напряженности внешнего магнитного поля, если они предварительно были нагреты до температуры, равной или большей точки Кюри. В качестве носителя информации используют материалы, обладающие магнитооптической памятью. Запись производится одновременно воздействием на рабочий слой магнитным полем и лазерным лучом. Постоянное магнитное
520
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.33. Оптическое устройство системы с многократной перезаписью изображений
поле создается специальными катушками в точке фокусировки оптической системы на рабочей поверхности диска.
Для осуществления записи импульсами возбуждается лазерный диод (ЛД) (рис. 18.33). и световой поток фокусируется оптической системой в пятно диаметром 1...2 мкм на рабочей поверхности диска (Д). Свойства рабочего слоя таковы, что зона нагрева ограничивается размерами сфокусированного пятна Ф. При этом происходит локальное повышение температуры материала примерно до 200 °C в месте контакта со световым потоком, и он намагничивается. Длительность импульсов, поступающих от блока управления (БУ), определяется параметрами сигнала записи. Стирание записанной на диске информации осуществляется с БУ изменением на обратное направления магнитного поля с помощью катушки (К) и диода ЛД, нагревающего слой диска. При считывании сигнала на поверхность диска направляется с помощью поляризатора света (П) плоскополя-ризованный луч лазера, который, отражаясь от поверхности диска, попадает в анализатор А, оптически связанный с фотоприемником (ФП). Вследствие того, что диск намагничен по закону изменения сигнала изображения, происходит поворот плоскости поляризации отраженной световой волны. В результате этого на выходе анализатора происходят колебания энергии светового потока. Фотопри-смник регистрирует изменение светового потока, пропорциональное изменению значения записанного на диске сигнала.
Информационная емкость дисков DVD-R и DVD-RW в полтора-два раза ниже емкости дисков DVD-ROM, а стоимость значительно больше, поэтому эти диски пока не находят широкого применения.
Для повышения информационной емкости DVD ' разработаны диски с двумя рабочими слоями на одной стороне (рис. 18.34). Первый слой 1 — полупрозрачный, изготовлен из напыленного золота, второй слой 2 — полностью отражающий, изготовлен из алюминия.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
521
Рис. 18.34. Принцип устройства диска с двумя рабочими слоями на одной стороне:
1 — первый рабочий слой (полупрозрачный); 2— второй рабочий слой (отражающий); 3— разделительный слой
Рис. 18.35. Оптическая система лазерной головки:
1 — лазерный диод; 2 — поляризационный расщепитель; 3— коллиматорная линза; 4 — четвертьволновая пластинка; 5 — объектив; 6 — диск; 7—светоприемник
Такое устройство увеличивает информационную емкость двухслойного диска, но его суммарная емкость оказывается меньше удвоенной емкости однослойного диска (из-за накопления ряда погрешностей при изготовлении) и составляет 8,5 Гбайт. Такая конструкция диска удобна, так как при длительных записях диск не требуется менять. Видеоплейер может иметь одну лазерную головку с регулируемой глубиной фокусировки. Другой тип диска — двусторонний с рабочими слоями по одному на каждой стороне. Такой диск представляет собой два односторонних диска, склеенных тыльными сторонами. Его суммарная информационная емкость равна удвоенной емкости одностороннего диска (9,4 Гбайт). Чтобы не переворачивать диск, требуются две лазерные головки (снизу и сверху). Двусторонний диск с двумя рабочими слоями на каждой стороне представляет собой два односторонних диска с двумя рабочими слоями, склеенных тыльными сторонами. Информационная емкость такого диска 17,0 Гбайт.
Основой видеопроигрывателя является лазерная головка с оптической системой, преобразующей информацию, заключенную в питах, в видеосигнал. Конструктивно особенности лазерной головки зависят от ее назначения, применяемого носителя, а также от принятого способа управления (автотрекинг, автофокусировка).
При воспроизведении луч лазерного диода 1 (рис. 18.35) проходит через поляризационный расщепитель 2, линзу коллиматора 3, четвертьволновую пластинку 4 и фокусируется объективом 5 на отражающем слое диска 6. Отраженный свет, промодулированный питами на диске, через объектив, четвертьволновую пластинку, коллимирующую линзу и призму поляризационного расщепителя попадает на светоприемник 7. Линза коллиматора расширяет пучок лучей
522
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
для полного использования апертуры входного зрачка фокусирующей линзы. Поляризационный расщепитель пропускает линейно поляризованный свет лазера к диску и не пропускает идущий обратно отраженный луч к лазеру, гак как плоскость поляризации его перпендикулярна прямому лучу. Перпендикулярность плоскостей поляризации прямого и отраженного света достигается четвертьволновой пластинкой. В результате почти весь отраженный диском свет от расщепителя попадает в светоприёмник.
Лазерная головка выполняет также функции автотрекинга и автофокусировки. При отсутствии системы автотрекинга незначительный эксцентриситет диска или его привода приводит к радиальному биению диска и к сбою процесса записи и воспроизведения. Существуют несколько способов автотрекинга, так же как и в системах магнитной записи, но в отличие от них при оптической записи и воспроизведении необходимо не только точно вести фокальное пятно по дорожке, но и точно поддерживать расстояние между ним и фокусирующей линзой, т.е. обеспечивать оптимальный диаметр луча на диске, что осуществляется системой автофокусировки. Если отсутствуют условия динамической фокусировки, неизбежные осевые биения диска могут привести к значительным расфокусировкам лазерного луча, что, естественно, ухудшит качество изображения.
Системы автотрекинга и автофокусировки представляют собой устройства автоматического регулирования, основными узлами которых являются механизм выработки сигнала ошибки и исполнительный механизм. Принцип работы механизма выработки сигнала ошибки заключается в получении разностного сигнала, который равен нулю при правильном расположении лазерного пятна на дорожке (автотрекинг) и при оптимальной его фокусировке (автофокусировка). При отклонении луча от оптимальных значений параметров устройство вырабатывает разностный сигнал, который является двуполярным. В зависимости от величины и полярности сигнала ошибки исполнительный механизхм корректирует положение лазерной головки, смещая ее вправо или влево в радиальном направлении в системе автотрекинга и вверх .и вниз относительно поверхности диска в системе автофокусировки. Исходя из этих условий фотоприемник в данном случае должен выполнять следующие функции: детектирование видеосигнала, выделение информации для работы автотрекинга. и автофокусировки. Следовательно, фотоприемпики должны быть многосекционными, обеспечивающими получение разностного сигнала при отклонении оптической системы лазерной головки от центра дорожки записи и оптимального расстояния до диска.
Так как лазерная головка имеет определенную массу, быстрое и точное управление ее перемещением вследствие инерционности системы затруднено. В видеопроигрывателях используют пьезоэлектрическую систему вместе с компенсирующим поворотным зеркалом
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
523
а)
1 11 1 111111
।	। |_||_| । । । । । I I । ।
00	00	0000
б)
Рис. 18.36. Передача видеоинформации методом ЧМ (а) и 1/1КМ (6)
(автотрекинг) и электродинамический механизм перемещения линзы (автофокусировка).
Специальные эффекты: ускоренное, замедленное воспроизведение изображения, стоп-кадр — достигается качающимся зеркалом, с помощью которого читающий луч может перебрасываться с одной дорожки на другую.
Для записи на магнитный или оптический носитель видеосигнал необходимо преобразовать в ЧМ или ИКМ сигнал. Основное отличие цифрового сигнала от аналогового состоит в образовании последовательности дискретных импульсов, форма которых не зависит от амплитуды сигнала изображения и определяется только временной или пространственной (на носителе) комбинацией импульсов.
При ЧМ информация передается распределением нулевых пересечений. Так как расстояние между точками нулевых пересечений изменяется плавно, частотный модулятор является аналоговым преобразователем (рис. 18.36,а). При цифровой записи информация также передается нулевыми пересечениями, но расстояние между ними изменяется только дискретно, кратно числу полных периодов бита (рис. 18.36,6). Таким образом реализуется цифровое представление информации.
Информация на первых лазерных видеодисках, разработанных еще в 70-е годы, так же как в DVD, представляла собой последовательность питов, но длина и расстояние между ними определялись нулевыми пересечениями ЧМ сигнала, т.е. это были аналоговые видеодиски. Такую запись можно рассматривать и как широтноимпульсную модуляцию (ШИМ) — аналоговый способ модуляции.
Таким образом, в современных видеодисках, в том числе и DVD, видео-, аудио- и другие сигналы записываются в цифровой форме. Воспроизводятся, обрабатываются и разделяются в плеере на составляющие видео-, звуковые и другие сигналы также в цифровой форме. Однако видеосигнал подается на телевизор преобразованным в аналоговую форму. Плеер должен сформировать сигналы изображения в виде аналоговых композитных и (или) компонентных сигналов.
524
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Многие DVD-плейеры могут записывать и воспроизводить аудиосигналы двух форматов — многоканального «сэрроунд-звука»: Долби АС-3 и MPEG-2-Audio [86].
Значение рынка дисков DVD возрастает, так как они широко применяются в различных сферах деятельности, отсюда большая заинтересованность в их производстве. Это обстоятельство стимулирует разработку высокоразрешающих дисков и, следовательно, аппаратов для их применения, как производителей технических средств, так и потребителей. Появились новые разработки дисков, получивших название HD-DVD (High Density — высокая плотность). Новые диски обеспечивают информационную емкость 15 Гбайт на сторону (это 133 мин программы ТВЧ). Если у DVD (красный лазер) минимальная длина питов 0,40 мкм, а шаг дорожек 0,74 мкм, то для DVD (голубой лазер) 0,26 мкм — минимальная длина питов, а шаг дорожек 0,44 мкм. Лучшие результаты получены после разработки новых полупроводниковых лазеров более коротковолнового спектра (ультрафиолетовый, с длиной волны 351 нм) и новых способов нанесения на диск фотослоя толщиной 90 нм, что обеспечивает получение еще более мелкой и резко очерченной структуры питов (без размытости границ). В этих экспериментальных устройствах поток данных в видеоплейере преобразуется четырьмя декодерами MPEG-2 и подается на формирователь сигналов ТВЧ, где частичные изображения составляются вместе и поступают на монитор.
Диаметр диска HD-DVD аналогичен диаметру диска DVD — 12 см. Внутренний радиус зоны записи, как и для DVD, составляет 24 мм, а внешний — 58 мм. Нормализованная скорость воспроизведения увеличена с 3,49 до 4,72 м/с, канальная скорость передачи данных при нормализованной скорости воспроизведения составляет от 26,16 до 54,41 Мбит/с. Полезная скорость передачи данных при нормализованной скорости воспроизведения увеличена с 10,08 до 23,04 Мбит/с. Для записи звука предлагается применение линейной ИКМ, а также Долби АС-3, MPEG-1 и MPEG-2 [87].
Разработки по созданию дисков с повышенной плотностью записи интенсивно ведутся фирмами Pioneer, Sony и др. Предполагается, что при использовании магнитооптических материалов или материалов, изменяющих свое фазовое состояние под воздействием лазерного луча (Phase-Change), в ближайшее время могут быть получены диски с однократной (реверсивные) или с многократной записью для широкого потребительского рынка. Фирмы Panasonic и Pioneer демонстрировали новые, пока экспериментальные образцы телевизионной аппаратуры, которые открывают новые технические возможности использования DVD-RW дисков (DVD-камкодеры, записывающая и монтажная станции).
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
525
Глава 19
СПУТНИКОВОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ
19.1.	Орбиты спутников ТВ вещания
Как известно из истории развития спутникового вещания, все многообразие орбит космических аппаратов, различающихся высотой, формой и наклонением к плоскости экватора, для целей спутникового телевизионного вещания (СТВ) исчерпывается лишь двумя: наклонной эллиптической орбитой типа «Молния» и геостационарной орбитой.
Объяснением появления и существования ТВ вещания с эллиптической орбиты может служить относительная маломощность ракет того времени (1965 г.) и возможность обслуживания ТВ вещанием приполярных областей, что для СССР (и до сих пор для России) весьма актуально по географическим условиям. Однако необходимо иметь одновременно несколько спутников на такой орбите для эстафетной передачи программы, обязательную компенсацию доплеровского эффекта в точке приема. Громоздкие следящие системы в антеннах делают в настоящее время этот способ весьма неэффективным по сравнению с СТВ на стационарных (геоцентрических) орбитах.
Если запустить спутник на круговую орбиту (рис. 19.1) высотой 35800 км, лежащую в плоскости экватора, и заставить его двигаться в сторону вращения Земли, то период его обращения будет равен 24 ч, а сам спутник — стационарен относительно поверхности Земли. Это
Рис. 19.1. Расположение спутников на разных орбитах
526
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
80
70
60
50
40
30
20
10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-90-80-70-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Д-Асп
Рис. 19.2. Номограмма для определения угла места /3 и азимута а антенны приемной установки
позволяет осуществлять через спутник непрерывное круглосуточное вещание и использовать земные приемные установки с простыми неподвижными антеннами, не требующими автоматического слежения за положением спутника (в противоположность «Молнии»).
Зона видимости (обслуживания) геостационарного спутника охватывает почти треть поверхности Земли, при этом полярные районы обслуживаются плохо, так как спутник виден в этих районах под малыми углами места /3 к земной поверхности. Угол места ,5 — это угол в вертикальной плоскости между направлением на спутник й касательной к поверхности Земли в месте приема. Очевидно, .что угол места определяется широтой точки наблюдения на Земле и разницей долгот точки стояния спутника и точки наблюдения. Практически принято, что минимальное значение угла места земных станций приема в пределах зоны обслуживания должно составлять не менее 3...50 для частот связи меньше 4 ГГц, а для диапазонов выше 10 ГГц — не менее 7... 10°.
Положение луча приемной антенны на Земле в пространстве характеризуется двумя углами — азимутом а и углом места (возвышения) /3. Азимут — это угол между направлениями из места приема
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
527
Рис. 19.3. Зависимость угла места антенны от координат приемной установки
на север и на спутник, отсчитанный по часовой стрелке:
180° + arctg ^£4 А < Асп;
( 180° - arctg tg(sA~*cn); А > ACII,
где А и Асп — долготы места приема и спутника, град; — широта места приема, град.
Угол места /3 определяется выражением
л cos(A - Асп) cos с? — 0,1513
/3 — arctg — .	...	.
у 1 — cos2 (А — Acn)C0S2(y9
На практике эти углы можно определить по номограмме, представленной на рис. 19.2, с последующей точной установкой антенны по максимуму сигнала.
Принципиальная возможность успешного приема сигнала от выбранного спутника для земных станций определяется достаточно большим углом места расположения спутника к земной поверхности. При малых углах появляется дополнительное ослабление сигналов в атмосфере Земли. Повышенный уровень шумов и ухудшение условий приема возникают из-за отражения сигнала от поверхности Земли и деталей рельефа. Приведенная на рис. 19.3 номограмма позволяет оперативно определить угол места, для антенны приемной установки в зависимости от координат места приема и сделать вывод о принципиальной возможности приема сигнала для приполярных областей.
19.2.	Диапазон частот спутникового телевизионного вещания
При определении диапазонов частот для спутникового ТВ вещания необходимо учитывать большое число различных факторов, таких как ослабление радиоволн в атмосфере Земли, простота аппаратурной реализации антенн и приемных установок, возможность локализации СВЧ излучения бортовыми антеннами и др. Однако
528
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
наиболее важными и определяющими являются требования электромагнитной совместимости (ЭМС) с другими радиослужбами. В соответствии с этим выбирается и ограничивается уровень излучаемого со спутника сигнала и уровень сигнала в точке приема. Первый характеризуется произведением мощности (в ваттах) передатчика на коэффициент усиления (в децибелах) бортовой антенны относительно изотропного излучателя. Эта характеристика называется эквивалентной изотропно-излучаемой мощностью (ЭИИМ), дБВт.
Уровень сигнала в точке приема характеризуется плотностью потока мощности (ППМ) у поверхности Земли относительно потока мощности 1 Вт, проходящего через 1 м2 (дБ-Вт/м2).
При создании практически любой национальной системы спутникового ТВ вещания не удается локализовать ее действие только внутри обслуживаемой зоны. Часть мощности ТВ сигнала, излучаемого со спутника, попадает на территорию определенных стран и может создать помеху их телевизионным или другим радиослужбам. Кроме того, стремление к увеличению числа систем и числа ретранслируемых ТВ программ приводит к повышению плотности размещения спутников на геостационарной орбите и увеличению вероятности взаимных помех между ними. В этих условиях чрезвычайно важной и практически необходимой является международная координация спутниковых систем, предусматривающая плановое и координируемое использование геостационарной орбиты и частот каналов, а также регламентацию ряда параметров спутников и приемных установок, влияющих на ЭМС с другими службами.
В зависимости от организации спутниковое ТВ вещание может осуществляться двумя службами.
1. Фиксированная спутниковая служба (ФСС) рассчитана на профессиональный прием спутниковых ТВ сигналов среди других прочих наземными станциями в заранее зафиксированных пунктах. С этих станций через наземные ретрансляторы ТВ сигнал доставляется другим телецентрам и индивидуальным потребителям. Действует ограничение ППМ —111 дБВт/м2 для ясной погоды на краю зоны обслуживания. Применяется вертикальная и горизонтальная поляризация. Мощность ретрансляторов в стволе 20...50 Вт.
2. Радиовещательная спутниковая служба (РСС) рассчитана на непосредственный прием населением ретрансляционных через спутник телевизионных и звуковещательных программ, причем прием может быть как индивидуальный, так и коллективный (через кабельную сеть). При этом ограничение ППМ в диапазоне 12 ГГц существенно слабее (103 дБ-Вт/м2), что позволяет организовать прием сигналов на более простые и экономичные антенны и приемники. Применяется левая и правая круговая поляризация при большой мощности ретрансляции в стволе, как правило, более 200 Вт.
Полосы частот фиксированной и радиовещательной служб определены Регламентом радиосвязи в 1977 и 1988 гг. и приведены в
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
529
Таблица 19.1
Диапазон, ГГц	Полоса частот Космос-Земля. ГГц	Районы			
		ФСС	Ограничения (ППМ, дБВт/м2)	РСС	Ограничения (ППМ, дБ-Вт/м2)
0,7	0,62. . .0,79	-		1, 2, 3	-129
2,6-S	2,5. .. 2,69	2	-111	1. 2, 3	-111
	2,5... 2,535	3	-111	1, 2, 3	
4-С	3,4. . .4,2		— 111 Координир.	-	
	4,5...4,8	1, 2, 3	-111 План-88 г.	—	
12-Ки	10,7. ..10,95	1, 2, 3	— 111 План-88 г.	—	
	10,95. ..11,2	Г 2, 3	— 111 Координир.	-	
	11,2... 11,45	1, 2, 3	— 111 План-88 г.	—	
	И,45... 11,7	1, 2, 3	— 111 Координир.	-	
	11,7... 12,2	2	— 111 Координир.	-	— 111 План-77 г.
	11,7. ..12,5			3	— 103 План-77 г.
	12,1... 12,3			1	-107 План-83 г.
	12,5... 12,75	2, 3	— 111 Координир.	2	— 111 План-77 г.
	12,2...12,5	3	— 111 Координир.	3	— 103 План-77 г.
20-Ка	17,7. ..21,2	1, 2, 3		1	План-77 г.
	22,5...23,0	-		2, 3	
40-Ка	37,5. ..40,5	Г 2, 3			План-77 г.
	40,5...42,5	—		1, 2, 3	
80-К	81...84	1, 2, 3		—	
	84...86	-	-	1, 2, 3	План-77 г.
табл. 19.1 для всего земного шара. Согласно решениям Всемирной Административной конференции по радиосвязи (ВАКР) 1977 г. для этого выделены районы:
Район 1 (Европа, Африка, Азиатская часть СНГ и Монголия);
Район 2 (Северная и Южная Америка);
Район 3 (Азия — без СНГ, Австралия и Океания).
Из данных таблицы видно, что техническая задача непосредственного ТВ приема зрителем на индивидуальную приемную установку успешнее может быть осуществлена РСС в диапазоне 12 ГГц, где гораздо больше может быть размещено ТВ каналов, меньше ограничения ППМ и размеры приемных антенн в среднем составляют 0,6...0,9 м при высокой избирательности в пространстве. Весь опыт Европейского спутникового непосредственного ТВ вещания (СНТВ) подтверждает это, поскольку большая плотность населения в западных странах, высокий уровень жизни и разнообразный этнический состав населения ориентируют развитие спутникового ТВ вещания на свободный выбор пользователем разнообразных программ вещания со спутников. В настоящее время наибольший коммерческий успех СНТВ также обусловлен в диапазоне 12 ГГц, так как совершенные приемные установки позволяют жителю Европы принимать на персональную антенну размером 0,75 м не только национальные программы, но и по своему выбору любые информационные, развлекательные, спортивные и пр., предоставляемые ему интернациональным региональным спутниковым вещанием. Как правило, на-
530
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
циональпые программы вещания в Европе в диапазоне 12 ГГц организуются на мощных стволах спутников — ретрансляторов (около 200 Вт) в рамках службы РРС.
Однако все большее число стран Европы, в том числе и Россия, в кооперации эксплуатируют национальные системы СНТВ также и в службе ФСС с учетом прогресса приемной техники и совершенствования бортовой аппаратуры спутников, позволяющей добиваться в направленном пучке излучения необходимой ППМ в зоне обслуживания и принимать программу СНТВ на антенну 0,4...0,6 м, обычную для Европы.
В настоящее время подавляющая часть ретрансляторов, обслуживающих Район 1 в системе РСС и ФСС работают в диапазоне Кн (12 ГГц) и размещаются на спутниках Astra, Eutelsat, Thor, Sirius, «Горизонт» и др. Число стволов (транспондеров) составляет десятки на один спутник, некоторые находятся в резерве или ждут коммерческих предложений. Размещаемые на спутнике ретрансляторы могут относиться (и также одновременно) к диапазону Ku и С, к службам РСС и ФСС (например, ARABSAT2A — 26° в.д.), излучать аналоговые или цифровые ТВ программы (НОТ BIRD — 13° в.д.).
Этот огромный прогресс спутникового вещания контролируется Международным союзом электросвязи под эгидой ООН. Технические вопросы, связанные с использованием частот и выбором позиций спутников на орбитах, разрешаются в Международных консультативных комитетах по радио (МККР) и по регистрации частот (МКРЧ). Начиная с 1977 г., когда был принят Регламент радиосвязи для трех Районов, для каждой страны закреплены плановые позиции спутника на орбите и плановые частоты пользования с соответствующими зонами обслуживания. На специальной сессии ВАКР 1988 г. были зафиксированы места спутниковых позиций для действующих систем, а для новых предусмотрены зоны обслуживания только в пределах национальных границ каждой страны. Соответственно в настоящее время в мире используются как плановые каналы согласно ВАКР 1977 г. (около 13 %), так и координируемые согласно ВАКР 1988 г.
Согласно плану РСС, принятому В АКР-77, для непосредственного телевизионного вещания (СНТВ) в диапазоне Ku в Районе 1 выделяется полоса частот 11,7... 12,5 ГГц, а также присваиваются угловые позиции на орбите спутников, обслуживающих национальные территории. Эта полоса частот разбита на 40 каналов с частотной модуляцией несущей. Разнос между несущими частотами принят равным 19,18 МГц с полосой частот (номинальной) для каждого ТВ сигнала 27 МГц. Очевидно, что на одну зону обслуживания из одной точки геостационарной орбиты нельзя вести передачу на соседних каналах. Несущая частота капала, МГц,
f = 1170,30 + 19,18п, где п — помер канала.
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
531
19,18 МГц 11765,84 МГц
27* МГц
11727,48 МГц 1-й канал
Рис. 19.4. Порядок присвоения частот каналов в РСС (11,7...12,5 ГГц)
12475,5 МГц 40-й канал
Для уменьшения интерференционных помех между каналами применяется левосторонняя и правосторонняя круговая поляризации соседствующих несущих (рис. 19.4).
По плану РСС ТВ вещание на одну зону осуществляется по четырем-шести частотным каналам, разнесеннььм друг от друга на четыре канала. Например, для одной из зон СНГ в точке орбиты 23° в.д. выделены каналы 27, 31, 35, 39. В свою очередь, для РСС предусмотрен угловой разнос между соседними по орбите спутниками, равный 6°. Таким образом, ЭМС при многократном использовании одних и тех же перекрывающихся полос частот обеспечивается благодаря пространственной избирательности узконаправленных земных приемных антенн (т.е. угловому разносу спутников), пространственной избирательности бортовых антенн (разнос зон обслуживания), различию по поляризации (круговая с левым или правым вращением).
В план РСС включены только зоны обслуживания для территории одного государства (или его части — СНГ) и в редких случаях — группы государств.
При составлении Плана РСС-1977 предполагалось на границе зоны ограничение ППМ на уровне —103 дБ-Вт/м2, что позволяет вести непосредственный прием ТВ программ спутникового вещания на простые установки индивидуального приема с добротностью G/Т — = 6 дБ/K, (где G — усиление антенны, Т — температура станции) и шириной луча антенны 2° (диаметр антенны 0,9 м). При этом достигается достаточное отношение ЧМ несущей к шуму (Рс/Лп)вх — 14 дБ, обеспечивающее высококачественное воспроизведение ТВ сигнала на выходе приемника. В современных приемниках снижением шумовой температуры можно добиться такого же приема на антенну существенно меньшего диаметра (0,4 м), а использование более совершенных схем демодуляторов позволяет снизить величину (Рс/Рш)вх до значения 10...8 дБ и тем самым значительно расширить зону непосредственного спутникового приема за пределы национальной территории.
Изначально согласно Плану РСС (ВАКР-1977 г.) предполагалась для Районов 1,3 необходимая ширина полосы частотного канала ретранслятора спутника (ствола) 27 МГц (Район 2 — 24 МГц) с расширением до 36 МГц (соответственно 32 МГц — Район 2), в котором передаются методом ЧМ цветной телевизионный сигнал со звуковым
532
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
сопровождением на ЧМ поднесущей и дополнительными ЧМ несущими звуковещательных программ. Однако допускаются и иные виды модуляции (например, цифровая) или другие виды передаваемых сигналов (например, вместо телевидения — несколько каналов звукового вещания высокого качества — до 8-10 при условии, что уровень помех, создаваемых в других системах, не превышает плановый.
Распределение ТВ сигналов через спутники ФСС получило распространение раньше чем в РСС и приобрело более широкие масштабы, несмотря на дорогостоящие приемные установки, в которых осуществляется многофункциональный прием различных сигналов (телевидение, телефония, дискретные сигналы данных, изображения газетных полос). Это объясняется несколькими причинами. Спутники ФСС вследствие известных ограничений (см. табл. 19.1) обладают меньшей мощностью и поэтому дешевле. На них из-за меньшего энергопотребления и массы можно расположить большое число стволов и благодаря этому передавать из одной точки орбиты одновременно много программ, что удобно и зрителям, и организаторам системы вещания. В отличие от РСС, где спутники могут излучать на территорию каждой страны не более пяти программ на частотах Плана РСС, в системе вещания ФСС в некоторых полосах частот (3,400... 4,200; 10,9... 11,2; 11,45... 11,7 ГГц) спутники при соответствующей координации в МККР и МККЧ могут иметь как узкие, так и региональные и глобальные зоны обслуживания. Они могут располагаться в любой точке геостационарной орбиты, для которой удалось добиться координации (т.е. удовлетворительных взаимных помех с ранее заявленными и действующими спутниковыми системами).
Другие полосы частот ФСС (4,5... 4,8; 11,2... 11,45; 10,7... ...10,95 ГГц) согласно Плану ФСС — ВАКР-88 г. отводятся на обслуживание национальных территорий подобно тому, как это принято в Плане РСС 1977 г. При этом в Плане-88 зафиксированы позиции спутников на орбите, указаны частоты каналов ТВ вещания и вводится ограничение ППМ на краю зоны обслуживания в условиях дождя -120 дБ-Вт/м2. Полоса частот канала ФСС составляет от 30 до 72 МГц из-за многофункциональности сигналов передачи.
В заключение следует отметить, что ограничения ППМ в планируемых и координируемых участках диапазона ФСС, существующие с 1988 г., с прогрессом приемной техники позволяют современными средствами с малошумящими приемными установками преодолеть это различие в уровнях сигнала спутников ФСС (ППМ -120 дБ-Вт/м2) и РСС (ППМ -103 дБ-Вт/м2) и осуществлять непосредственный прием ТВ сигналов от спутников ФСС на недорогие и сравнительно небольшие антенны диаметром 0,9...1,5 м, доступные индивидуальному абоненту.
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
533
19.3. Методы передачи сигналов телевидения в спутниковом вещании
Аналоговые сигналы спутникового телевидения в системах NTSC, PAL, SECAM, повсеместно представленные в наземном вещании с небольшими вариациями в параметрах, естественным образом с началом спутникового вещания стали использоваться и в спутниковых каналах ФСС и РСС. В этих каналах ТВ вещания ввиду очевидных преимуществ перед амплитудной модуляцией, применяемой в наземном вещании, для аналоговых сигналов рекомендован частотный метод модуляции несущей канала сигналом цветного телевидения (NTSC, PAL, SECAM), представляющим собой комплексный сигнал, состоящий из видеосигнала яркостного с цветовой модулированной поднесущей внутри полосы яркостного (4,2...6 МГц) и ЧМ поднесущей (4,5...6,5 МГц) звукового сопровождения, вынесенной за полосу яркостного сигнала в соответствии с требованиями совместимости этих систем.
Известно, что выигрыш от применения ЧМ заключается в достижении высоких отношений сигнал/шум на приеме при относительно небольших мощностях принимаемого сигнала за счет расширения спектра ЧМ выходного транслируемого радиосигнала. Практическая формула (Карсона) для связи ширины спектра ЧМ сигнала с параметрами модуляции следующая:
Д/чм ~2(/в +Д/д),
где /в — верхняя граница спектра видеосигнала, МГц; /д — девиация частоты, МГц.
Ясно, что выигрыш ЧМ тем больше, чем больше девиация частоты, и, значит, необходимое значение отношения сигнал/шум на выходе приемника достигается при меньшем отношении сигнал/шум на его входе.
Однако с увеличением девиации частоты приходится расширять полосу пропускания приемника, вследствие чего растет мощность шумов приемника согласно формуле
Рш = &ТШД/Ш,
где к — постоянная Больцмана; Тш — шумовая температура приемной установки, К; Д/ш — шумовая полоса приемника, равная полосе пропускания ВЧ тракта.
Во избежание порогового эффекта в работе ЧМ демодулятора, характерного при понижении отношения (Рс/Рш)вх на входе приемника меньше чем на 14 дБ для простых схем демодуляторов, приходится увеличивать мощность сигнала на входе за счет увеличения размера антенны либо уменьшением полосы частот приемника и потерей четкости изображения поддерживать достаточную надпороговую'помехоустойчивость, уменьшая шумовой вклад приемника. Поэтому в
534
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 19.5. Спектр сигнала на выходе сумматора при передаче звукового сопровождения методом двойной ЧМ
Рис. 19.6. Блок-схема передающей земной станции при передаче звукового сигнала методом двойной ЧМ
системах спутникового телевизионного вещания для сигнала изображения не применяют девиацию частоты, большую /д = (1, 5...2,5)/в-Например, в Плане РСС 1977 г. принята пиковая девиация частоты 13,5 МГц.
Звуковое сопровождение, а также звуковещательные программы передаются совместно с видеосигналом методом двойной ЧМ. Он заключается в следующем: на передающей станции создается специальный генератор дополнительной несущей, имеющей частоту выше верхней частоты видеосигнала (т.е. меньше 5...6 МГц) — поднесущей Fn. Этот генератор модулируется по частоте сигналом звукового сопровождения (30...15000 Гц), и затем выходной сигнал Рпчм суммируется с видеосигналом. Аналогично происходит модуляция для дополнительных звуковещательных программ. Образующийся на выходе сумматора частотно-уплотненный сигнал имеет спектр, показанный на рис. 19.5. Затем этим сигналом модулируется сигнал основной несущей частоты (в частотно-модулирующем генераторе ЧМГ2 рис. 19.6), являющейся промежуточной /прчмг = 70 МГц. В конверторе канала происходит перенос всего спектра частотно-м одул и ров ап но го сигнала на рекомендованную частоту передачи «Земля — Космос» для соответствующего диапазона вещания (6; 14; 18 ГГц). Усилитель мощности (как правило, на лампе бегущей волны) доводит ЧМ несущую до необходимого уровня, достаточного для ретрансляции сигнала на спутник.
Телевизионный сигнал с двойной ЧМ звука характеризуется:
•	девиацией частоты основного несущего колебания, которое может составлять от ±9 до ±15 МГц (в Плане РСС — 12 ГГц ±13,5 МГц):
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
535
•	девиацией частоты поднесущей звукового сигнала от ±50 до ±150 кГц:
•	девиацией частоты основной несущей, создаваемой сигналом звуковой поднесущей — от 0,5 до 3 МГц.
Последний пункт показывает, что увеличение числа поднесущих для передачи звуковых программ приводит к уменьшению девиации несущей от видеосигнала из-за занятости динамического диапазона полного телевизионного сигнала суммирующимися с ним поднесущими звуковых программ и, следовательно, к ухудшению качества передачи видеосигнала из-за возможного проявления шумов и перекрестных помех. В практике вещания обычно применяют не более 4-5 частотно-уплотненных совместно с ТВ программой звуковых программ.
Поскольку поднесущие звуковых сигналов расположены в области высоких уровней шума, свойственных ЧМ каналам, уменьшить уровень поднесущих и тем самым перекрестную помеху от их присутствия в видеосигнале можно увеличением девиации самих поднесущих, и тем больше, чем удаленней поднесущая от /в видеосигнала.
Известно, что в каналах с ЧМ сигналов спектральная плотность шума на выходе частотного детектора растет пропорционально квадрату частоты, в то время как спектр мощности сигнала телевизионного изображения быстро падает с ее ростом. Основная мощность сигнала сосредоточена на низких частотах до 1...2 МГц, что соответствует крупным деталям изображения. Поэтому при передаче телевидения методом ЧМ (как и в РРЛ) применяют линейные (частотные) предыскажения. Ослабляют низкочастотные компоненты спектра сигнала (до 11 дБ) и поднимают уровень высокочастотных компонентов (до 3 дБ). Размах сигнала после 'такого преобразования практически не изменяется. На приемном конце восстанавливающим фильтром (рис. 19.7) производится обратное преобразование, при этом ослабляются наиболее мощные высокочастотные составляющие шума. В этом заключается противошумовая функция частотных предыскажений, но кроме того эффективно уменьшаются нелинейные искажения по отношению к сложному сигналу цветного телевидения со звуковыми поднесущими с характерными показателями этих искажений — дифференциальной фазой и дифференциальным усилением. Действительно, ослабление низкочастотной компоненты сигнала и соответственно вызванной им девиации частоты уменьшает загрузку тракта передачи, способствуя лучшему воспроизведению высокочастотных компонентов сигнала в тракте ЧМ.
Кроме линейных (частотных) предыскажений передаваемого сигнала в спутниковом телевидении иногда используют нелинейную обработку видеосигнала. При этом перед частотным модулятором частотно-предыскажаемый видеосигнал, имеющий вследствие коррекции выбросы на фронтах импульсов, подвергается амплитудному ограничению. Это уменьшает размах сигнала и позволяет увеличить
536
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 19.7. Частотные предыскажения видеосигнала: 1 — фильтр предыскажающий; 2— фильтр восстанавливающий
девиацию, обеспечив тем самым выигрыш по шумам до 2.. .4 дБ без видимых искажений изображения.
В каналах звука также применяются линейные предыскажения (подъем высоких частот) простой RC-цепью с постоянной времени т = 50/75 мкс и нелинейная обработка сигналов звуковых программ для достижения выигрыша в отношении сигнал/шум с помощью известных систем компрессии и экспандирования — так называемых «компандеров».
Наконец необходимо упомянуть способ обработки телевизионного сигнала, применяемый только в спутниковых ЧМ каналах для обеспечения их ЭМС как друг с другом, так и с наземными службами радиосвязи. Уровень помех, создаваемых системами СТВ (особенно в диапазонах ФСС), не должен превышать установленных МККР норм. Наиболее сильные помехи системы СТВ вызывают в радиорелейных линиях (РРЛ). Поэтому значение плотности потока мощности сигналов СТВ у поверхности Земли ограничивается, исходя из допустимого значения мощности помехи, попадающей в полосу одного телефонного канала РРЛ шириной 4 кГц. Наибольшее мешающее воздействие оказывают дискретные компоненты спектра ЧМ сигнала, соответствующие, например, синхроимпульсам, так как в этом случае ППМ на частотах компонентов сигнала сильно возрастает. Кроме того, иногда, например, в перерывах передачи излучается немодулированный сигнал, вся энергия которого сосредоточена в очень узкой полосе частот.
Для уменьшения помех от СТВ другим системам к видеосигналу добавляют специальный сигнал дисперсии, обеспечивающий искусственное рассеяние мощности ЧМ сигнала по его спектру, и имеющий треугольную или пилообразную форму кадровой частоты. В отсутствие сигнала изображения промодулированный сигналом дисперсии ЧМ сигнал имеет равномерный энергетический спектр. Совместное действие модулирующего ТВ сигнала и напряжения дисперсии обеспечивает при больших девиациях частоты снижение мощности ЧМ сигнала в полосе 4 кГц по сравнению с немодулированной несущей на 30...36 дБ для разных размахов сигнала дисперсии.
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
537
Аналого-цифровые сигналы спутникового телевидения типа МАС (см. гл. 13). Системы цветного ТВ типа МАС являются альтернативными системам с композитной упаковкой (частотным уплотнением) сигналов цветного телевидения применительно к каналам ЧМ в спутниковом вещании.
Как известно, композитные системы NTSC, PAL и SECAM были разработаны более 40 лет назад. Их технические решения были ориентированы на передачу методом AM и обеспечение совместимости между системами черно-белого и цветного телевидения. Это привело к введению цветовой поднесущей в верхнюю часть полосы частот сигнала яркости, так что цветовая информация оказалась совмещенной по полосе с высокочастотной информацией о яркости. Именно присутствие этой цветовой поднесущей создает наиболее существенные ограничения качества сигналов композитных систем, заключающиеся в перекрестных помехах, повышенной восприимчивости к шумам в канале ЧМ и искажениям типа «дифференциальное усиление» и «дифференциальная фаза».
Перекрестные помехи яркость-цветность и цветность-яркость проявляются как ограничение эффективной ширины полосы частот яркостного и цветоразностного сигналов для сравнительно низких значений (3,5 и 1 МГц для PAL и примерно 2,8 и 0,6 МГц в системе NTSC). При использовании в ЧМ канале систем с частотным уплотнением на сигнал цветности воздействует большая мощность шума, приходящаяся на единицу полосы частот, чем на сигнал яркости, из-за треугольного характера распределения шумов по частоте. После демодуляции вследствие этого нарушается равновесие между шумовыми характеристиками канала яркости и цветности и существенно ухудшается субъективное восприятие изображения.
Новая система компонентного кодирования в ее разных модификациях была разработана с учетом этих основных недостатков композитных систем и в соответствии с характеристиками канала ЧМ спутникового вещания.
Общим для всех модификаций систем МАС является то, что сигнал яркости и один из цветоразностных сигналов активной строки раздельно сжимаются во времени и размещаются последовательно в пределах строки для образования сигнала с временным уплотнением аналоговых компонентов. Два сжатых во времени цветоразностных сигнала передаются в чередующихся строках таким образом, чтобы свести к минимуму необходимые коэффициенты сжатия всех сигналов и таким образом снизить уровень шумов преобразования во времени.
При приеме сигнала МАС яркостные и цветностные составляющие восстанавливаются в декодере МАС посредством декомпрессии в памяти на строку без проявления перекрестных помех и без нарушения равновесия в зашумлении сигналов яркости и цветности каналом ЧМ. В сравнении с композитными системами NTSC, PAL, SEKAM
538
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
компонентные системы МАС в номинальной полосе спутникового канала (8,4 МГц до ЧМ) способны передать изображение, близкое по качеству к цифровому стандарту студии 4:2:2. Так, для D2-MAC /\fY = 5,6 МГц: АЛ = 2,4 МГц.
В настоящее время в спутниковых каналах СТВ-12 ГГц в основном применяются системы D2-MAC и В-МАС, общим в которых является использование частотной модуляции для аналоговой и цифровой частей сигналов, что упрощает радиотракты ретранслятора спутника и наземного приемника, а различие заключается в способах передачи цифрового потока данных и звука (импульсно-кодовая модуляция, либо адаптивная дельта-модуляция со средней скоростью около 1,6 Мбит/с). Поскольку сигналы изображения и цифровых данных последовательно во времени в этих системах частотно модулируют несущую спутникового канала, в них для повышения отношения сигнал/шум применяют частотные предыскажения и частотную коррекцию, как и в композитных системах. Для рассеяния энергии в спектре излучения также используется известный сигнал дисперсии треугольной формы кадровой частоты для видеосигнала и осуществляется скремблирование (перемешивание) цифрового потока в виде псевдослучайной последовательности битовых импульсов.
Цифровые сигналы спутникового телевидения. Современное спутниковое цифровое вещание телевизионных программ применяет для сигналов с высоким уровнем сжатия информации типа MPEG-2 (см. гл. 13) относительную квадратурную фазовую манипуляцию (ОКФМн), в которой достигается четырехпозиционная фазовая манипуляция несущей канала. Для этого распараллеленным транспортным потоком манипулируются две несущие, находящиеся в квадратуре (ортогональные). В итоге модулированная несущая канала имеет фазу, представленную двухбитовой комбинацией, за счет чего может быть снижена битовая скорость потока, т.е. сокращена полоса пропускания канала. Таким образом, в сравнении с аналоговым спутниковым каналом, где одна телевизионная программа занимает транспондер с полосой 27...36 МГц, стандарты MPEG-2 и ОКФМн позволяют разместить в таком канале четыре программы студийного качества (9 Мбит/с) или 6-8 программ бытового качества (типа S-VHS).
В звуковой части стандарт MPEG-2 поддерживает до пяти полных широкополосных каналов или до семи многоязычных комментаторских каналов.
В цифровом телевидении, использующем сигналы с высоким уровнем сжатия информации, необходимо применять эффективное обнаружение и исправление ошибок. Кроме того, для улучшения ЭМС спутниковых каналов ТВ вещания необходимо обеспечивать рассеяние энергии спектральных составляющих в полосе канала согласно рекомендациям Регламента радиосвязи для РСС и ФСС. Для
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
539
этого транспортный поток цифровых данных подвергается псевдослучайном)/' двоичному скремблированию па передаче так же, как это происходит в цифровых потоках данных систем МАС при заданных значениях ППМ в зонах обслуживания.
Обнаружение и исправление.ошибок в битах транспортного потока осуществляется с помощью кода Рида-Соломона в пакетах транспортного потока, а также сверточным перемежением и сверточным кодированием. Очевидно, что эти меры реализуются за счет введения избыточности в транспортный поток и тем самым уменьшения пропускной способности канала. Степень увеличения избыточности от последних двух мероприятий можно регулировать в зависимости от мощности передатчика, размера антенны и желаемого качества транслируемого изображения.
19.4. Прием сигналов СНТВ
Современное состояние спутникового телевизионного вещания характеризуется использованием в транслируемых ТВ программах аналоговых сигналов типа NTSC, PAL, SEKAM, аналого-цифровых сигналов типа МАС методом ЧМ с номинальной полосой радиоспектра ЧМ — 27 МГц. Цифровое спутниковое ТВ вещание по системе MPEG-2/DVD-S, начатое существенно позже упомянутых выше аналоговых систем для совместимости встроено в существующий частотный план распределения ТВ каналов, принятый ВАКР-СТВ для РСС и ФСС. Поэтому приемная установка спутникового вещания для аналоговых или цифровых программ будет иметь отличие только в демодуляторе и декодирующем устройстве, которые должны обеспечить на выходе низкочастотные сигналы видео и звука в стандарте наземного вещания (NTSC, PAL, SEKAM).
Приемник спутникового ТВ представляет собой комплект устройств для приема ТВ радиосигналов с телекоммуникационных спутников или спутников вещания. Он состоит из наружного блока, который содержит антенну и конвертор частоты, и внутреннего блока, называемого тюнером, а также (при индивидуальном приеме) стандартного ТВ приемника (см. рис. 19.7). При коллективном приеме абонентам доставляются программы вещания от общей приемной установки с помощью наземной системы распределения, кабельной либо эфирной (с передатчиком малой мощности).
Для приема ТВ со спутников широкое применение нашли простые осесимметричные параболические антенны и антенны с вынесенным облучателем. Такая антенна состоит из рефлектора в виде фрагмента параболической поверхности и источника излучения (облучателя), размещенного в фокусе рефлектора. Параболическая поверхность обладает тем свойством, что пучок лучей, падающих на рефлектор параллельно его оси, после отражения пересекается в одной точке, называемой фокусом.
540
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
В документах ВАКР-СТВ для НТВ рекомендуется применять параболические антенны диаметром около 0,9 м с усилением около 38,5 дБ на частоте 12 ГГц и шириной диаграммы направленности (ДН) по уровню половинной мощности около 2°. Правильно спроектированная антенна имеет шумовую температуру в пределах 40...80 К в условиях чистой атмосферы. В условиях сильного поглощения электромагнитной волны в атмосфере (свыше 10 дБ) шумовая температура антенны приближается к физической температуре окружающей среды, т.е. к 290 К. Влияние Солнца на шум антенны велико и непостоянно во времени.
Добротность приемной системы (коэффициент добротности G/T) зависит от диаметра и шумовой температуры антенны, а также от коэффициента шума приемника (конвертора). Если известны значения двух последних параметров, то диаметр антенны, определяющий мощность сигнала на входе приемника, можно определить из таблицы зависимостей D — (p[G/T;F) для приема сигналов с вещательных спутников (D = 0,20... 1,23 м при G/T = 15...25 дБ и F = 1,0...3,0 дБ), приведенной в [88].
Как известно, в частотных планах СНТВ ФСС и РСС частотные каналы могут использовать два противоположных вида поляризации. В приемной установке, ее наружном блоке, выбирают сигнал с одной поляризацией, второй сигнал с ортогональной поляризацией подавляют в поляризаторе. Поэтому поляризатор следует разместить между поляризационно-изотропным облучателем и входом конвертора (входным волноводом), обусловливающим определенную ориентацию плоскости поляризации электромагнитного поля. Переключение вида линейной поляризации осуществляется механическим или магнитным поляризатором дистанционно с помощью управляющих сигналов, вырабатываемых во внутреннем блоке. Для приема сигналов, имеющих вращающуюся поляризацию, необходимо использовать дополнительное устройство (отрезок круглого волновода с плоскими продольными неоднородностями), преобразующее поле с вращающейся поляризацией в поле с линейной поляризацией. Оно включается между выходом облучателя антенны и входом механического или магнитного поляризатора. Для упрощения входного поляризационного устройства конвертора ведутся разработки по созданию поляризаторов, обеспечивающих прием сигналов как с линейной, так и с вращающейся поляризацией.
Общепринятой для приемных установок спутникового телевидения в диапазоне частот 11... 12 ГГц является схема с двойным преобразованием частоты (рис. 19.8). Сигнал от ИСЗ, принятый антенной системой в диапазоне частот 10,95... 11,7 или 11,7... 12,5 ГГц (мощность около 3 пВт с телекоммуникационных спутников и около 150 пВт с вещательных спутников), проходит через блок выбора вида поляризации и поступает на вход конвертора. Этот блок обычно
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
541
Наружный блок
-J- Поляризатор —t—[ МШУ |------1 См |—| УПЧ!
I 10,95...11,7 ГГц I	|
1 (11,7...12,5 ГГц) | Конвертер I Гет I
L__________________
Рис. 19.8. Структурная схема индивидуальной приемной установки аналогового ТВ
имеет небольшие габариты, например 40x40x100 мм, и устанавливается непосредственно на антенну креплением к фланцу поляризатора для минимизации потерь во входном волноводном тракте и соответствующего снижения входной шумовой температуры приемной системы. В состав конвертора входят малошумящий усилитель (МШУ), фильтр, преобразователь (смеситель См) с гетеродином Гет, стабилизированным диэлектрическим резонатором, усилитель УПЧ1. После первого преобразования принятый сигнал размещается в диапазоне 0,95... 1,75 ГГц, усиливается и по коаксиальному кабелю передается на вход внутреннего блока. По этому же кабелю на наружный блок может передаваться напряжение электропитания.
На входе внутреннего блока устанавливают СВЧ соединитель типа N или чаще всего — специально разработанный для этой цели упрощенный соединитель типа F, рассчитанный на непосредственное соединение с коаксиальным кабелем без пайки. Малошумящий усилитель должен обеспечивать усиление 25...30 дБ во всей рабочей полосе, т.е. в диапазоне 10,9... 11,7, либо 11,7...12,5 ГГц; коэффициент шума МШУ должен быть минимальным. В настоящее время большинство фирм-производителей выпускают МШУ с шумами менее 1 дБ. Коэффициент шума усилителя характеризует добавку в соотношение сигнал/шум, которую дает усилитель. В ряде случаев требуется размерность коэффициента шума F в относительных единицах, более часто используют логарифмическую размерность — децибелы: Рдб = 101gF. Кроме того, удобно пользоваться понятием
542
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
«шумовая температура», которая измеряется в градусах Кельвина и связана с коэффициентом шума в относительных единицах соотношением Тш = (F — 1)7q, где То — температура окружающей среды. Значение TUi определяется элементной базой МШУ и лежит в пределах 100. ..450 К.
Во внутреннем блоке происходит второе преобразование частоты. В большинстве европейских стран принято значение второй ПЧ 480 МГц, в США — 612 МГц.
Выбор желаемой программы обеспечивается настройкой гетеродина преобразователя на частоту принимаемого сигнала. Перестраиваемый гетеродин обычно работает в диапазоне 1,4...2,2 ГГц и выполняется на варакторах. Синхронно с гетеродином перестраивается и включенный в УПЧ[ фильтр (предселектор). Фильтр пропускает требуемый канал с ослаблением 3...6 дБ и подавляет все прочие частоты до —28... — 30 дБ.
Полосно-пропускающий фильтр (ППФ) обеспечивает требуемую селективность. Наиболее часто для этого применяют фильтры на поверхностно-акустических волнах (ПАВ), хотя они имеют большое ослабление в рабочей полосе пропускания. В отдельных моделях тюнеров применяют несколько ППФ с разными полосами и коммутируют их для регулировки полосы.
В представленной па рис. 19.8 версии аналогового приемника частотный демодулятор (ЧД) является одним из наиболее ответственных узлов внутреннего блока. Наиболее простая схема — частотный детектор на расстроенных контурах — используется лишь в радиолюбительских конструкциях. В современных промышленных тюнерах в качестве ЧД обычно применяют синхронно-фазовые детекторы со следящим контуром, которые имеют пороговые отношения сигнал/шум 6...10 дБ.
На выходе демодулятора получается композитный сигнал в стандарте PAL, SECAM или систем МАС совместно с сигналами поднесущих звука. Из композитного сигнала выделяются видеосигналы в виде сигналов основных цветов R, G, В или в виде сигналов Y, U, V. Эти сигналы совместно с сигналами звука подводятся к соединителю типа BNS-75 Ом или универсальному соединителю типа «Euroconnector» (SCART) стандартного ТВ приемника. Для приемников старого типа, не имеющих такого входа, тюнер снабжают амплитудным модулятором, позволяющим создавать ТВ радиосигнал в диапазоне УКВ (стандарт PAL или SECAM), который затем подводится к антенному гнезду стандартного ТВ приемника. Дополнительные выходы внутреннего блока предусмотрены для подачи видеосигнала и сигнала звукового сопровождения (в ряде случаев и звукового стереовещания) на специальные входы телевизора, видеомагнитофона или стереосистемы.
Видеосигнал размещается в полосе частот от 0 до 5 МГц. Восстановление предыскажений и подавление сигнала дисперсии (СД) про-
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
543
Цифровое аудио
Аналоговое аудио
ВЧ выход 1 Аналоговое
НЧ выход | видео
Цифровое видео
Рис. 19.9. Обобщенная структурная схема декодера цифрового приемника MPEG-2/DVB-S
изводится по видеочастоте после частотного демодулятора. Как известно, при правильном выборе амплитуды и частоты СД спектральная составляющая с большой амплитудой как бы размывается по спектру, превращаясь в ряд спектральных составляющих (непрерывную полосу) со значительно меньшими амплитудами. В соответствии с Рекомендациями В АКР введение СД с девиацией частоты 600 кГц обеспечивает уменьшение интенсивности помехи (наземным службам связи) в полосе 4 кГц на 22 дБ. Сигнал дисперсии частотой 25...30 Гц (в разных ТВ сигналах частота его разная) следует исключить из видеосигнала до его передачи в стандартный ТВ приемник. Это можно сделать с помощью относительно несложной схемы фиксации уровня.
Сигнал звукового сопровождения передается на поднесущей частоте в диапазоне 5,5...8 МГц. Поэтому тракт звукового сопровождения состоит из узлов, широко применяемых в УКВ ЧМ приемных устройствах, и должен обеспечивать возможность плавной настройки на поднесущую частоту принимаемого канала, адаптацию к различным стандартам предыскажений и возможность приема ЧМ сигналов при изменении девиации частоты поднесущей от 50 до 150 кГц.
Конструктивно внутренний блок имеет сходство с тюнером УКВ, выполняет сходные функции, поэтому его часто называют просто тюнер.
Приемное устройство цифрового спутникового телевидения системы MPEG-2/DVB-S имеет устройство радиотракта, аналогичное тюнеру рис. 19.8, так как частотный план цифрового вещания соответствует аналоговому. Отличие заключается в способе демодуляции радиосигнала — ОКФМн и последующем декодировании транспортного потока в соответствии с процедурой MPEG-2.
На рис. 19.9 представлена декодирующая часть цифрового спутникового тюнера в обобщенном виде. После того как выделенный сигнал цифровой несущей в радиотракте приемника проходит ци
544
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
фровые цепи демодуляции — ОКФМн, он преобразуется в информационный поток в виде цифровых пакетов и поступает в устройство исправления ошибок. В демультиплексоре информационный поток разделяется на два канала: аудио и видео. Декодеры MPEG-2 видео и аудио поддерживают самые различные форматы и имеют большое число выходов: цифровое видео, аналоговое видео, цифровое аудио, аналоговое аудио, RGB-выход и пр.
Управление работой демультиплексора осуществляет микропроцессор, обрабатывая команды пользователя, переданные через блок управления.
В комплект индивидуального приемника спутникового ТВ вещания помимо антенны, поляризатора, конвертора и тюнера входят и дополнительные устройства с различными сервисными функциями: блок дистанционного управления антенной, дешифраторы закодированных программ, декодер систем с мультиплексированием аналоговых компонентов сигнала (МАС) и др.
Для жителей многоквартирных домов в больших городах установка индивидуальной спутниковой антенны едва ли возможна, и наиболее приемлемым средством оказывается коллективный прием. Оборудование для коллективного приема содержит те же составные части, что и для индивидуального. Отличие заключается в том, что для каждой программы необходим свой внутренний (канальный) блок. В коллективных системах обычно используется антенна большего диаметра (от 2 до 4 м) и двухканальный наружный блок, обеспечивающий возможность одновременного приема сигналов двух ортогональных поляризаций. Блок состоит из поляризационного делителя и двух конверторов. В состав оборудования для коллективного приема входят также широкополосные делители мощности для подключения канальных блоков и устройства для организации распределительной сети.
Практически используют два возможных способа распределения спутниковых ТВ программ — передача ЧМ сигналов в полосе первой ПЧ спутникового приемника 0,95...1,75 ГГц или передача AM сигналов в стандарте наземного ТВ вещания.
Первый способ предполагает наличие у каждого абонента своего внутреннего блока; коллективными являются лишь антенна и наружный блок. Требуется минимальный объем дополнительного оборудования — усилители и делители мощности сигнала на полосу частот 0,95... 1,75 ГГц. Этот способ имеет серьезные недостатки: несовместимость с наземным ТВ вещанием (требуется отдельная кабельная сеть), большое затухание сигнала в распределительной сети и др.
Второй способ более универсален — обеспечивает возможность приема на обычный ТВ приемник программ наземного и спутникового вещания, передаваемых в разных стандартах, с разных ИСЗ, однако требует на головной станции кабельной сети наличия большого
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
545
Рис. 19.10. Оборудование для коллективного приема ТВ программ с ИСЗ: 1 — демодулятор; 2 — дешифратор; 3 — транскодер; 4 — ТВ модулятор
объема сложного оборудования. Как показано на рис. 19.10, сигналы с различными поляризациями, принятые одной или несколькими антеннами, демодулируются, дешифруются (если на передающей стороне они подверглись зашифровке), в необходимых случаях осуществляется преобразование стандарта цветного телевидения. Затем формируются AM сигналы в диапазонах МВ и ДМВ наземного ТВ вещания или в полосах частот, специально отведенных в Европе для кабельных сетей. Принципы построения таких сетей будут рассмотрены в гл. 20.
Подробности реализации аппаратуры и расчета систем спутникового ТВ вещания освещены в [89-91].
Глава 20
СИСТЕМЫ КАБЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
20.1. Принципы построения приемной телевизионной сети
Приемная ТВ сеть состоит из совокупности индивидуальных устройств приема ТВ программ и радиосигналов УКВ ЧМ вещания и приемных систем телевидения и радиовещания (систем коллективного приема ТВ). В состав первых входит индивидуальная комнатная
546
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
или наружная приемная ТВ антенна, антенный фидер в виде отрезка радиочастотного кабеля и ТВ приемник. Системы коллективного приема ТВ (СКПТ) состоят из одной или нескольких наружных антенн направленного действия, установленных на крышах зданий или мачтах, одноступенчатой домовой распределительной сети (ДРС) с одним или двумя последовательно включенными усилителями и нескольких десятков (одно жилое или общественное здание) или сотен (несколько зданий) абонентов ТВ и УКВ ЧМ приемников.
Особенностью приема ТВ передач в крупных городах является появление между зданиями стоячих волн в результате интерференции прямых и отраженных от стен зданий и других препятствий лучей, а также возниковение за высокими домами зон радиотени. В результате образуются зоны неуверенного приема и искажения в виде ряда сдвинутых друг относительно друга по горизонтали повторных изображений и снижения четкости. Особенно это относится к распространению ДМВ, где длина волны значительно меньше размеров многих встречающихся на пути распространения препятствий.
Для повышения качества ТВ приема создаются крупные системы коллективного приема ТВ (КСКПТ) с двухступенчатой PC — субмагистральная сеть (СМС) и ДРС, объединяющие несколько СКПТ небольшого района с общим числом абонентов до 10000. Все они работают от одних и тех же направленных ТВ антенн, которые вынесены на крышу ближайшего высокого здания, с крыши которого имеется прямая видимость на передающую антенну ТЦ.
Трехступенчатые PC большой протяженности — магистральная сеть (МС), СМС и ДРС — с числом абонентов свыше 5000 (большие районы или целые города) используются в КСКПТ или системах кабельного ТВ.
Упрощенная структурная схема СКПТ приведена на рис. 20.1,а. Прием ведется на несколько коллективных одноканальных, многоканальных или широкополосных антенн У, соединенных кабелем снижения с домовой распределительной сетью.
Домовая распределительная сеть состоит из: канального или диапазонного ТВ фильтра 2, предназначенного для подключения к общей PC двух расположенных на одной мачте антенн, работающих в различных частотных диапазонах (например, 48,5...100 и 174...230 МГц); канального, диапазонного или широкополосного ТВ усилителя (УТ) 5, включаемого в ДРС при недостаточном уровне сигнала, поступающего к ТВ приемникам; разветвителя (распределителя) на резисторах или направленных ответвителях обеспечивающего сохранение согласования при распределении мощности сигнала между несколькими линиями ДРС; линий ДРС 6 (коаксиальные кабели типа РК или КПТМ с затуханием на частоте 200 МГц не более 130 дБ/км), предназначенных для питания абонентских линий ДРС; ответвителей 5 (обычно на шесть абонентских выходов, например типа УАР-6), расположенных на лестничной клетке каждого этажа зда-
ГЛАВА 20. Системы кабельного телевидения
547
Рис. 20.1. Структурная схема СКПТ
ния и необходимых для ответвления части энергии радиосигнала из линии ДРС в абонентские линии; абонентских линий 7 (кабели типа РК и КПТА с »2оо 200 дБ/км), соединяющих ответвители с абонентскими розетками 10 или при их отсутствии со штеккера-ми, предназначенными для подключения к абонентским устройствам — телевизорам Ри УКВ ЧМ приемникам; нагрузочных резисторов 8, подключаемых к выходу последних, расположенных па первом этаже ответвительных устройств и имеющих сопротивления, равные волновому сопротивлению кабелей в линиях ДРС.
Возможность размещения ТВ каналов в метровом диапазоне волн очень ограничена и практически уже исчерпана во многих странах. Увеличить число ТВ каналов можно организацией ТВ вещания в частотных диапазонах 4 и 5. Здесь возможны два способа приема ТВ программ. Первый заключается в том, что свободные каналы метрового диапазона т, не используемые в данном районе для ТВ вещания, заполняются сигналами ТВ программ дециметрового диапазона к путем их преобразования по частоте (конвертирования). Для каждого канала необходим свой конвертор к/т (рис. 20.1,5). Достоинством этого способа является то, что не следует переделывать существующие сети СКПТ. Никаких изменений в схемах ТВ приемников также не требуется. Недостаток заключается в ограничении числа ТВ каналов, так как вместе с действующими каналами метрового диапазона их число теоретически не будет превышать 12, а практически — равно 5—6 (с учетом существующей практики чередования рабочих и «нерабочих» каналов для повышения помехоустойчивости).
548
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Сигнал, принятый на дециметровую антенну Адмв, поступает в УВЧ коллективной приставки — конвертора А;/т — и далее в смеситель См, куда подаются также колебания первого гетеродина Г. Взаимное расположение несущих изображения и звука приставка менять не должна, поэтому частота гетеродина должна быть меньше частоты приходящего сигнала. Стабильность частоты гетеродина достигается применением кварцевого генератора и последующим умножением одной из его высших гармоник. На выходе смесителя получается сигнал первой промежуточной частоты, соответствующий одному из свободных каналов метрового диапазона. Этот сигнал усиливается в дополнительном УВЧ и подается на общую распределительную сеть.
При втором способе приема ТВ (рис. 20.1,в) сигналы передаются по распределительной сети вплоть до ТВ приемника непосредственно в диапазоне ДМВ, без преобразования. Применяется дополнительная антенна ДМВ или одна всеволновая антенна. Число ТВ каналов при этом возрастает и не ограничится емкостью 12-канального селектора каналов СКМ приемника. Это несомненное достоинство такого способа, так как поставленная задача — увеличение числа каналов — здесь решается без ограничений. Работа стандартных ТВ приемников обеспечивается установкой в них блоков СКД. Естественно, что вместо двух селекторов каналов СКМ и СКД удобнее применить один всеволновый блок СКВ. В связи с расширением передаваемой полосы частот при использовании дециметрового диапазона ДРС требуют коренной переделки.
Следует отметить, что в СКПТ:
•	качество изображения может ухудшаться за счет опережающих повторов, возникающих в диапазоне МВ (где нет конвертирования) вследствие приема на фидер ДРС и антенный вход телевизора электромагнитных колебаний от местных ТВ радиопередатчиков;
•	помехозащищенность уменьшается за счет применения диапазонных и широкополосных антенн;
•	в диапазоне МВ возможно использование не более шести рабочих каналов.
Поэтому можно сделать вывод, что системы СКПТ не являются перспективными. Более предпочтительны КСКПТ с кабельной PC (до 4 км) и магистральными усилителями (через 500 м), где комплекс передающего оборудования (головная станция — СГ) включает в себя канальные узконаправленные антенны, канальные усилители и канальные фильтры выбранного канала, где используется двойное преобразование частоты (/Пч1 = 31,5...38 МГц), применяется УПЧ с фильтрами на ПАВ. В КСКПТ частотный набор сигналов никогда не совпадает с исходным, поэтому сигналы передатчиков наземного вещания на качество изображения у абонентов кабельной сети практически не влияют.
ГЛАВА 20. Системы кабельного телевидения
549
20.2.	Принципы построения систем кабельного ТВ
Для обеспечения высококачественного ТВ приема в районах с низкой напряженностью поля и в городах с разноэтажной застройкой, где высок уровень отраженных сигналов, ТВ программы необходимо передавать по проводным линиям связи — коаксиальным и волоконно-оптическим кабелям. Поэтому в этих распределительных системах кабельного телевидения (КТВ) помех меньше, число ТВ каналов может быть увеличено на порядок (до 100 и более) и становится возможной организация обратного канала. Следует отметить, что в отечественных системах КТВ (СКТВ) в диапазоне 110... 174 МГц, не используемом для эфирного ТВ вещания, предусмотрено дополнительно восемь спецканалов (СК1-СК8), а в диапазоне 230...294 МГц — еще восемь (СК11-СК18). Таким образом, в СКТВ максимальное число ТВ каналов 20 при полосе до 230 МГц и 28 при полосе до 300 МГц (12 + 8 + 8). Однако из-за ограничений на возможность совместного усиления и передачи сигналов максимальное число используемых каналов снижается более чем в два раза. Тем не менее в рассматриваемых системах существует подача дополнительных программ от местных мини-студий или видеоаппаратных, а также от приемных пунктов спутникового ТВ вещания.
Системы КТВ, имеющие свыше 5000 абонентов при большой протяженности распределительной сети, в будущем станут многоцелевыми. Телевизионные программы в PC могут передаваться в полосе частот до 600...700 МГц и выше; возможна автоматизация процесса управления системой. Таким образом, система КТВ — это по сути КСКПТ с расширенными возможностями. Основные виды услуг, предоставляемых многофункциональными КТВ, могут быть следующими: коммерческое и учебное ТВ и радиовещание, в том числе передача специальных программ (спортивных, информационных, справочных и др.) и программ, заказанных зрителями по обратному каналу связи; телефон и видеотелефон; телеграф и фототелеграф; почтовая корреспонденция; газеты и журналы; доступ в библиотеку; услуги со стороны вычислительных центров; прочие услуги. Для приема почтовой корреспонденции, включая газеты, журналы и библиотечную информацию, абонент должен иметь электронное буквопечатающее устройство для печати на бумагу или на ленту.
Для уменьшения индустриальных помех и отраженных сигналов приемный пункт системы КТВ должен быть вынесен за город и расположен на холме или установлен в самом высоком здании данного микрорайона. Полосы частот каналов диапазонов МВ и ДМВ преобразуются на головной станции в свободные в данной местности полосы частот каналов метрового диапазона. В этом случае значительно уменьшается заметность наведенных на входные цепи ТВ приемников сигналов от ТВ передающих станций.
550
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
В оборудовании станции предусматривается АРУ по каждому каналу. При необходимости используется пилотное регулирование — автоматическая регулировка уровня и наклона АЧХ в магистральных усилителях (АРУиН), которые работают по пилот-сигналам с частотами 110 и 235 МГц, вводимыми в линейный тракт с головной станции. По магистральным линиям осуществляется также дистанционная подача питающего напряжения для усилителей.
Возможна передача внутрисистемных сигналов, допускается двунаправленная передача. Есть три варианта решения проблемы двусторонней связи. Первый — самый надежный, заключается в том, что используются два отдельных кабеля со своими усилителями: один кабель для прямой передачи, другой — для обратной. Более экономичным является второй вариант: использование одного кабеля и установка на ретрансляционных пунктах по два усилителя (по одному на каждое направление) с соответствующими фильтрами. Принципиально возможно при одном кабеле обойтись всего одним усилителем (третий вариант), если использовать сложную систему фильтров. Однако этот метод из-за высоких перекрестных помех применим только при небольших уровнях сигнала (распределительные сети). В магистральных линиях используется второй вариант.
Системы КТВ могут иметь древовидную схему построения распределительной сети, кольцевую или радиальную. Схема построения системы КТВ в соответствии с ГОСТ 11216-83 имеет древовидную структуру и изображена на рис. 20.2. Она состоит из головной станции, где сигналы обрабатываются, преобразуются по частоте и усиливаются, и распределительных сетей: магистральных сетей (линий) (МС), субмагистральных сетей (СМС) и домовых распределительных сетей (ДРС), подсоединяемых к МС и СМС с помощью направленных ответвителей (ответвителей магистральных ОМ). Абонентские разветвители (РА) и коробки (КА) служат для подсоединения абонентских отводов к линиям ДРС и ТВ и УКВ ЧМ приемникам.
Существенным недостатком КТВ является необходимость установки промежуточных магистральных усилителей (УМ) в МС и СМС — примерно через каждые 0,5...1 км. Усилители могут устанавливаться и перед линиями ДРС (УД — домовой усилитель). Для каждого ТВ канала устанавливается отдельная приемная антенна. Кроме программ эфирного вещания от местных ТЦ на пункт распределения ТВ программ (станция КТВ или головная станция) поступают также программы по кабельным, радиорелейным и спутниковым линиям связи. Блоки дистанционного питания (БП) обеспечивают питание усилителей PC через кабель.
Платные каналы КТВ на головной станции подвергаются скремблированию (обычно это подавление синхросигнала и инверсия видеосигнала ПСИВ) для предотвращения приема программ абонентами, не желающими оплачивать услуги. При этом значительно снижается общая мощность несущей и уровень продуктов интермодуляции.
ГЛАВА 20. Системы кабельного телевидения
551
ОМ-101
УМ-201
ОМ-102
К ДРС
ОМ-102
Магистральная линия
УМ-202	УМ-221	УМ-222	УМ-201
Домовая распределительная система (ДРС) ।--------------------—----------------1
этаж
2 этаж
1 этаж
УД-201
75 Ом
:() РА-102
У УМ-201
РА-104
КА-102
ОМ-101
1 подъезд
:()РА-102
:() РА-102
ОМ-101
о
К подъезд
Дом этажей - п, подъездов - К
о
о
О
О
Рис. 20.2. Системы КТВ с древовидной схемой построения PC
Поэтому способ ПСИВ широко используется в системах с большой загрузкой как для ее уменьшения, так и для скремблирования сигнала. Такой сигнал становится почти неразборчивым, пока он не будет дескремблирован у абонента.
20.3.	Головная станция
Рассмотрим принципы построения и основные технические характеристики разработанных в нашей стране комплексов оборудования различных серий для головных станций КТВ (СГ).
Первая система на промышленном оборудовании серии 100 сдана в эксплуатацию в 1986 г. Головная станция серии 100 предназначена для приема до пяти ТВ программ одновременно в ТВ диапазонах МВ и ДМВ и до шести программ УКВ ЧМ радиовещания в диапазоне 66...73 МГц, однократного преобразования ТВ каналов в стандартный канал диапазонов МВ и последующей передачи в кабельную сеть протяженностью до 1,5 км (четыре ступени усиления) с числом абонентов от нескольких сотен до нескольких тысяч.
Головная станция серии 200 (1987 г.) предназначена для систем с числом абонентов от 2 до 10 тыс. с подачей ТВ сигнала по кабелю на расстояние до 4 км (8-9 ступеней усиления). Структурная схема станции приведена на рис. 20.3. В состав СГ входят: базовая стойка с установленными в ней блоком сложения (ВС), приемопередатчики (ПП) МВ и ДМВ (по числу принимаемых каналов — на каждый канал отдельная «корзина» в стойке), диапазонный усилитель (66...73 МГц) УКВ ЧМ вещания, основной и резервный, выполненный в виде двух полу комплектов, генератор опорных частот (ГОЧ),
552
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 20.4. Структурная схема ПП станции СГ-200
формирующий стабилизированные по амплитуде и частоте пилот-сигналы для АРУ и Н (U = 0,16 В, Fni = 110 МГц, Fn2 = 235 МГц) и сигнал опорной частоты /оп = 31,25 кГц для синхронизации гетеродинов всех пяти ПП.
Преобразование частоты ТВ сигналов в наборе ПП (от трех до пяти) — двойное, в любой канал диапазонов МВ. В тракте первой ПЧ (31,25 ... 39,25 МГц) использованы фильтры на ПАВ, что обеспечивает высокую избирательность по соседнему каналу. Номинальные входные уровни не менее 70 дБ/мкВ, выходные уровни: 114±3 дБ/мкВ для ТВ каналов, 108±3 дБ/мкВ для УКВ ЧМ вещания и 104 дБ/мкВ для пилот-сигналов.
Головная станция в зависимости от наличия или отсутствия в эфире программ ТВ или УКВ ЧМ может работать в рабочем или дежурном режиме.
Блоки ПП — специализированные устройства, предназначенные для конвертирования сигналов только одной пары канал-канал, о чем указывается на лицевой панели блока. В состав ПП (рис. 20.4) входят конверторы (основной и резервный), синтезаторы частот (основной и резервный), блок автоматики (на рисунке не указан), блок питания, делитель сигнала, датчик МВ/ДМВ, блок коммутации. Наличие автоматического резервирования основных блоков станции гарантирует высокую надежность ее работы (наработка на отказ не менее 5000 ч).
В дежурном режиме напряжение питания подается только на
ГЛАВА 20. Системы кабельного телевидения
553
датчик сигнала (ДС) и компаратор блока автоматики (БА). Как только начинает работать передатчик на канале настройки ПП и уровень сигнала на выходе ДС превысит минимально допустимый, то сразу включаются все узлы ПП и ГОЧ.
Принятый на канальную антенну радиосигнал через ступенчатый аттенюатор (дБ) подается на вход ДС; при необходимости вместо аттенюатора включается антенный усилитель. После двухконтурной избирательной цепи, четырехкаскадного апериодического усилителя и детектора сигнал поступает на индикатор уровня БА. Результаты сравнения размаха видеосигнала с опорным напряжением отображаются с помощью светодиодов на лицевой панели конвертора. Предусмотрено пять оценочных градаций: —10, —5, 0 (норма —70 дБ/мкВ), +5, +10 дБ. Необходимые коррективы можно внести входным аттенюатором.
Входной трехкаскадный апериодический усилитель (ВхУ) имеет избирательные Г С1 цепи на входе и выходе и обеспечивает избирательность по зеркальному каналу не менее 50 дБ.
В первом диодном кольцевом балансном смесителе (Cmi) осуществляется преобразование частоты сигналов принимаемого канала на промежуточную частоту (31,5...38 МГц).
На входе УПЧ включен аттенюатор на p-i-n диодах, регулируемый АРУ. С увеличением управляющего напряжения (от 2 до 10 В) сопротивление p-i-п диодов уменьшается и сигнал проходит с минимальным ослаблением. Усилитель — двухкаскадный, между каскадами включен фильтр на ПАВ. Для ТВ сигналов на 1,5 МГц ниже и на 8 МГц выше несущей изображения обеспечивается избирательность не менее 25 дБ.
В См2 сигналы ПЧ преобразуются в частотный диапазон выбранного канала. Частоты /Г1 и /Г2 на оба смесителя поступают от синтезатора частоты (СЧ).
На входе выходного усилителя (Вых У) установлен канальный LC-фильтр канала конвертирования. Усилитель — апериодический четырехкаскадный на транзисторах КТ939А с повышенной линейностью характеристик. Все каскады симметричны и охвачены глубокой комбинированной ООС по постоянному и переменному токам. После согласующего трансформатора (Т) сигнал подается на блок сложения (БС) (см. рис. 20.3), а часть его ответвляется в систему АРУ (детектор и однокаскадный усилитель постоянного тока на операционном усилителе). Предусмотрена возможность отключения системы АРУ и переход на ручное управление.
Пример условного обозначения головной станции: СГ-215-06, где первая цифра — принадлежность к серии 200; вторая цифра — наличие генератора пилот-сигнала; третья цифра — число принимаемых каналов; четвертая и пятая цифры — вариант комбинации приемопередатчиков. Габаритные размеры станции, мм: 500x540x1800, масса 170 кг.
554
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
20.4.	Распределительная сеть
Основными элементами PC являются коаксиальные кабели, усилители, магистральные ответвители (ОМ), абонентские разветвители (РА) и абонентские коробки (КА).
Коаксиальные кабели. Как правило, в СКТВ полоса частот прямой передачи (от станции к абоненту) 50...300 МГц (частотные диапазоны 48,5...66, 76...100, 100...174, 174...230 и 230...294 МГц), полоса частот обратной передачи (от абонента к станции) 5...30 МГц, а протяженность линий МС и СМС составляет несколько десятков километров. Для линий МС и СМС разработаны специальные коаксиальные кабели с изоляцией из сплошного или пористого полиэтилена, диаметром внутреннего проводника 1,74...3,75 мм с алюминиевым (толщиной 1,2... 1,4 мм) или медным (0,18 мм) внешним проводником и наружным диаметрохм кабеля 15,3...22,2 мм, например, РК-75-17-14С, РК-75-11-31С. Затухание кабелей в диапазоне МВ не превышает 50 дБ/км.
Для линий ДРС и абонентских линий наиболее предпочтительны кабели РК-75-11-11С (вместо РК-75-9-13), РК-75-4-11, РК-75-4-113, РК-75-4-37, РК-75-3,7-31 и др. с затуханием на частоте 200 МГц 49(92), 170, 120, 98 и 114 дБ/кхМ соответственно.
Допустимое затухание кабелей на частоте 200 МГц должно быть не более 25 дБ/км для МС КТВ, в пределах 25... 130 дБ/км для СМС и линий ДРС и в пределах 130...210 дБ/км для абонентских линий. В справочниках указывается значение коэффициента затухания ал на частоте измерения /о при температуре 20 °C, а также температурный коэффициент затухания ащ- Тогда коэффициент затухания а/ на произвольной частоте и коэффициент затухания &ft при любой температуре t можно вычислить по формулам
ау = ао \////о 5 a ft = а/[1 + aot(^ — 20)].
Усилители. Линейные магистральные усилители серии 100 и 200 (например, УМ-101/220, УМ-201/220, УМ-111-60, УМ-221-60) выпускаются на рабочий диапазон частот 40...240 МГц с одним и двумя выходами, с АРУ и наклона АЧХ (АРУиН) или без нее, с питанием от сети 220 В и по коаксиальному кабелю напряжением до 60 В — всего восемь вариантов. Все они имеют единый прочный водонепроницаемый корпус и выполнены в блочно-модульной конструкции, что обеспечивает удобство смены модулей при обслуживании и ремонте усилителей. Потребляемая мощность 33...40 В-А. Структурная схема самого насыщенного магистрального усилителя (двухвыходного с АРУиН) приведена на рис. 20.5. Другие типы получаются исключением ряда блоков из этой схемы.
С магистральной линии сигнал поступает на входную плату, которая обеспечивает согласование входа усилителя с радиочастотным
ГЛАВА 20. Системы кабельного телевидения
555
Рис. 20.5. Структурная схема УМ
кабелем, а также его питание от дистанционного блока питания по радиочастотному кабелю, для чего служат цепи обвода питания (LiCi). На плате имеется контрольное гнездо для контроля входных сигналов, а также разъемы для установки сменных аттенюаторов и выравнивателей, назначение которых — обеспечить заданный уровень сигнала на выходе усилителя и компенсировать неравномерность АЧХ коаксиального кабеля. С входной платы сигнал поступает на блок основного усилителя У1} состоящего из предварительного усилителя (ПУ), аттенюаторов усиления и наклона и мощного оконечного усилителя (ОУ).
Для уменьшения нелинейных искажений обе ступени усиления собраны по двухтактной схеме на транзисторах, работающих в режиме класса А. В ПУ применены транзисторы типа КТ-399А с коэффициентом шума Кш 2 дБ; в каждом из плеч по два каскада, собранных по схеме с общим эмиттером (ОЭ). В ОУ, работающем в режиме большого сигнала, использованы транзисторы типа КТ-939А, специально разработанные для усилителей с малой нелинейностью амплитудной характеристики; в каждом из плеч транзисторы включены по каскодной схеме.
В усилителях с АРУиН на аттенюаторы подаются управляющие напряжения с блока автоматических регулировок. В остальных усилителях эти аттенюаторы управляются постоянными напряжениями, определяемыми положением ручной регулировки, и используются для плавной регулировки усиления и наклона. Регуляторы усиления выполнены на p-i-n диодах; регулятор наклона АЧХ — из частотнозависимых Л(7-цепей, управление параметрами которых также осуществляется с помощью p-i-n диодов.
Блок дополнительного усилителя У2 предназначен для обеспечения второго выхода УМ, требуемого часто при проектировании СКТВ древовидного типа. Схема усилителя У2 практически повторяет схему выходного усилителя блока Ур Выходные платы обеспечивают согласование выходов усилителей с радиочастотным кабелем и имеют контрольные гнезда для контроля выходных сигналов. На этих
556
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
платах имеются также цепи обвода питания (L2C2 и L3C3), аналогичные одноименной цепи во входной плате. Кроме того, с выходной платы основного усилителя часть мощности сигнала ответвляется на входы блока дополнительного выхода и блока АРУиН. Уровень сигнала на основном выходе составляет 117...120 дБ/мкВ, на дополнительном — 116 дБ/мкВ.
Блок АРУиН обеспечивает поддержание постоянного рабочего уровня сигнала при действии дестабилизирующих факторов на магистральной линии СКТВ. Схема АРУиН работает по контрольным уровням пилот-сигналов, поступающих с СГ по кабелю. В блоке АРУиН выделенные частоты пилот-сигналов усиливаются, детектируются и сравниваются с опорным сигналом.
Принципиальным отличием усилителя серии 100 от усилителя серии 200 является отсутствие устройства автоматической регулировки наклона АЧХ и дополнительного усилителя.
Принципиальная схема домового усилителя (УД-101, УД-201) подобна схеме УМ, за исключением введения дополнительного (третьего) каскада усиления во входном усилителе вместо схемы АРУиН; вследствие этого коэффициент усиления УД увеличен до 35 дБ (для УМ — 18...28 дБ). При этом на входе УД установлен добавочный аттенюатор для плавной регулировки усиления на резистивном делителе. Уровень сигнала на выходе 117...119 дБ/мкВ.
Пример условного обозначения усилителей: УМ-222/60 — усилитель магистральный серии 200 (первая цифра — 2) с двумя выходами (последняя цифра перед дробью — 2), с АРУиН (средняя цифра трехзначного числа — 2), с подачей напряжения питающей сети 30...60 В по магистральному кабелю (число после дроби — 60); УМ-111/220 — усилитель магистральный серии 100 (1) с одним выходом (1), с АРУ (1) и питанием от сети переменного тока 220 В (220); УД-101 — усилитель домовой серии 100 (1) с одним выходом (1), без автоматических регулировок (0).и питанием от сети переменного тока 220 В.
Ответвители. Мощность сигналов в магистральных и субмагистральных линиях ответвляется с помощью магистральных направленных ответвителей ОМ, представляющих собой мостовые устройства на трансформаторах с ферритовыми сердечниками. В зависимости от варианта исполнения ответвители выпускаются с одним или двумя отводами и с переходным ослаблением к отводам 3, 6, 10, 13, 16 дБ. Это необходимо для обеспечения достаточно равных уровней сигналов на отводах ОМ, включаемых в разных точках соединительных линий МС и СМС.
Ответвители широко используются также для деления ВЧ сигналов в необходимых пропорциях в распределительных сетях СКТВ, например на выходе УД для подачи сигналов на различные вертикальные соединительные линии ДРС (см. рис. 20.4). Кроме того,
ГЛАВА 20. Системы кабельного телевидения
557
учитывая обратимость ОМ, они используются для сложения ВЧ сигналов, поступающих в PC от различных источников.
Пример условного обозначения магистральных ответвителей: ОМ-101/3, ОМ-102/6 и т.д. Цифра после дроби означает переходное затухание ВЧ сигнала от входа к отводам, дБ; цифра перед дробью — число отводов. Проходное затухание от входа к выходу в пределах 0,8...3 дБ.
Разветвители. Абонентские разветвители (РА) обеспечивают распределение мощности по абонентским отводам. В зависимости от варианта исполнения РА имеют переходное затухание между входом и каждым из отводов 10, 13, 16, 22 дБ (для выравнивания уровней сигналов у абонентов). Разветвители построены подобно ОМ по трансформаторным схемам на основе ферритовых сердечников. Конструктивно РА выполняются в корпусах (негерметичных, с учетом условий установки РА) двух типов — на два и четыре отвода.
Пример условного обозначения абонентских разветвителей: РА-102/10 — на два отвода, переходное затухание от входа к отводам 10 дБ; РА-204/22 — на 4 отвода, а = 22 дБ. Проходное затухание от входа к выходу — в пределах 0,8...3 дБ.
Абонентские коробки (КА). На конце абонентской линии включается КА с двумя развязанными выходами для подключения ТВ и УКВ ЧМ приемников (КА-102). Коробки так же, как и ОМ и РА, выполнены по трансформаторной схеме с использованием ферритовых сердечников и по схеме подобны ОМ-101/6, а конструктивно — в корпусе из ударопрочного полистирола, в котором укреплена печатная плата.
Подробнее вопросы построения СКПТ и КТВ освещены в [92-95].
20.5.	Перспективы развития СКТВ
Новый комплекс аппаратуры для распределенных приемных систем телевидения и КТВ (серия 300), разработанный в ПО «Горизонт» взамен оборудования серии 100 и 200, имеет улучшенные технико-экономические показатели, позволяет создавать приемные PC телевидения различных классов и категорий сложности - от простых (десятки, сотни абонентов) СКПТ до сложных двусторонних систем КТВ (до 20000 абонентов и более). Предусмотрены возможности передачи на СГ сигналов системы дистанционного контроля и сопряжения с оборудованием спутникового вещания, линиями ВОЛС и РРЛ. В состав аппаратуры входят: станция (усилитель) антенная, станция головная, модулятор телевизионный, усилители линейные, ответвители магистральные, разветвители абонентские, блок питания дистанционный, аппаратура диагностики и контроля, ко-дер/декодер платного ТВ. Для новой системы разработаны специальные двунаправленные линейные усилители (например, УМ-372Д:
558
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 20.6. Распределительная сеть СКТВ с обратными каналами: а — распределение частот сигналов; 6— перемещение сигналов в PC
усилитель магистральный с прямым и обратным каналами, телеответчиком, блоком автоматических регулировок, блоком дополнительного выхода и с дистанционным питанием (~42В). В полосе обратного канала (5...30 МГц) они обеспечивают работу системы диагностики и контроля и возможность реализации интерактивного ТВ.
В аппаратуре СКТВ с обратными каналами часть полосы частот (48...300 МГц в аппаратуре КТВ серии 300) предназначена для организации 28 ТВ радиоканалов, в которых радиосигнал передается в сторону абонентов (рис. 20.6,а). В этом же направлении передаются внутрисистемные сигналы (ВСС) станции КТВ в полосе частот 40...48 МГц. По обратному каналу, в сторону головной станции, в полосе частот 5...30 МГц по PC передаются ВСС от различных элементов системы — УМ, ОМ, УД, РА, КА. Пример передачи прямых и обратных сигналов в общей распределительной сети КТВ показан на рис. 20.6,6. Прямой сигнал занимает полосу частот 40...300 МГц и включает в себя радиотелевизионные и внутрисистемные сигналы прямого направления; он проходит через линейные усилители УМХ и У М3. Обратные сигналы С/обР.м и С/обР.см занимают полосу частот 5...30 МГц и состоят только из формируемых в различных точках магистральной й субмагистральной линий внутрисистемных сигналов обратного направления; они проходят через усилители УМ2 и УМ4, образуя суммарный обратный сигнал 17О6Ре- Все формируемые в PC обратные сигналы, в том числе Г/обР.м и С/обР.см) передаются на присвоенных им частотах, поэтому смешения между собой передаваемых сообщений не происходит.
На головной станции сигнал L^O6pl выделяется фильтром с полосой пропускания 5...30 МГц и подается на декодирующее устройство. Расшифрованные сигналы всех передаваемых в обратном на-
ГЛАВА 20. Системы кабельного телевидения
559
Рис. 20.7. Структурная схема двунаправленного УМ
правлении сообщений направляются адресату, например устройству контроля за параметрами усилителей PC.
Структурная схема построенного по такому принципу двунаправленного магистрального усилителя с двумя выходами изображена на рис. 20.7. Его характерная особенность состоит в том, что вход УМ для сигналов Unp в полосе частот 40...300 МГц одновременно является выходом для обратных ВСС в полосе частот 5...30 МГц, а два его выхода для сигналов Unp являются входами для обратных сигналов С/Обр.
Поступающий по магистральным кабелям со стороны СТ групповой радиосигнал телепрограмм проходит контрольный ответвитель (KOi) и подается на фильтр разделения полос (Ф1), одновременно выполняющий функции устройства сложения сигналов. Частотная характеристика пропускания фильтра в направлении аттенюатора (Атт) — 40...300 МГц, а в направлении усилителя обратных сигналов (У3) — 5...30 МГц, т.е. сигнал Unp не смешивается с обратным суммарным сигналом ГгОбрЕ- Аттенюатор, выравниватель (В), усилитель прямого направления (Ух), направленный ответвитель (НО) и блок АРУиН аналогичны одноименным блокам усилителя УМ222 (см. рис. 20.5).
После направленного ответвителя включен фильтр (Ф2), аналогичный по своим параметрам фильтру поэтому усиленный групповой сигнал телепрограмм Unp поступает через КО2 на первый выход усилителя. С выхода НО сигнал /7пр поступает на дополнительный усилитель (У2), также работающий в полосе частот 40...300 МГц. Включенный на его выходе фильтр (Фз) по своим свойствам подобен фильтрам Фх и Ф2, поэтому широкополосный сигнал Unp (40...300 МГц) проходит через него беспрепятственно к КОз и далее на второй выход усилителя.
Сигналы Unp на обоих выходах подключаются к разным линиям одной и той же PC, поэтому совершенно идентичны по спектральному составу и передаваемой информации. В то же время сигналы Г7обр1 и Сгобр2 должны быть разными по частотному составу и передавать некоррелированную информацию, собираемую в этих линиях.
560
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Информационный сигнал обратного направления С7обР1 первой линии проходит КО2 и фильтром Ф2 направляется на устройство сложения сигналов (УСС). Частотная характеристика пропускания фильтра Ф2 в направлении УСС — 5...30 МГц. Сигнал Т/ОбР2 второй линии проходит КОз и фильтром Ф3 (с узкой полосой прозрачности 5...30 МГц) также направляются в УСС. Обратные сигналы в УСС объединяются, образуя суммарный ВСС C7O6Ps, который после устройств Уз, Ф1 и KOi направляется по магистральному кабелю в сторону станции КТВ.
В некоторых двунаправленных усилителях (УМ-321, 322, 371, 372, УД-321) имеется также телеответчик, содержащий модем (М)’, контроллер телеответа (КТ) и датчик контроля за параметрами каскадов усилителя (ДК). В модеме из широкополосного (40...300 МГц) сигнала Тпр выделяются прямые ВСС в полосе частот 40...48 МГц, которые могут нести информацию о командах управления. Служебный сигнал, например с частотой fCJli = 41 МГц, выделяется в модеме и через КТ запускает ДК. Контроллер и модем налаживают обмен информацией между датчиком и оборудованием головной станции. Для этого в модеме формируется обратный сигнал С/ОбРз с частотой /обР1, выбранной в диапазоне 5...30 МГц. Этот сигнал поступает в УСС и в спектре суммарного обратного ВСС C7O6Ps перемещается по магистральному кабелю в сторону станции КТВ.
С традиционным эфирно-кабельным ТВ вещанием сегодня конкурируют СКТВ (как источник видеопрограмм), компьютерные сети (как источник и банк данных разнообразной информации), а также интерактивные ТВ сети на основе СКТВ, интегрированные с компьютерными информационными сетями (например, Интернет).
В системах интерактивного ТВ телевизор не только обеспечивает прием ТВ программ, но и является универсальным средством отображения разнообразной информации мультимедиа, поступающей с выхода специальной компьютеризированной приставки — абонентского терминала. Приставка обычно устанавливается сверху телевизора и по размерам напоминает видеомагнитофон или приемник программ спутникового ТВ. Такие абонентские многофункциональные аналого-цифровые терминалы за рубежом называют STB (settop-box — коробка, устанавливаемая сверху). После обработки STB аудио-, видео- и графическая информация может быть отображена с помощью бытового телевизора, видеомонитора или любого другого устройства отображения/регистрации информации. С помощью STB осуществляется также информационный запрос от абонента к СТ по специальному обратному каналу (по распределительной сети СКТВ в полосе частот 5...30 МГц, по телефонной сети, по эфиру с помощью миниатюрных передатчиков). Управление устройством STB осуществляется через меню на экране телевизора пультом ДУ.
Сигналы обратного канала передаются в цифровом виде с малой скоростью. В современных STB используются декодеры MPEG-
ГЛАВА 20. Системы кабельного телевидения
561
1/MPEG-2, что позволяет принимать и декодировать цифровые видео- и звуковые сигналы со сжатием. Передача информационного запроса осуществляется STB только после получения от СГ сигнала разрешения на его передачу. Каждый STB имеет свой собственный идентификационный код, который позволяет СГ надежно определять адресата полученного запроса.
В настоящее время интерактивное телевидение — наивысшая ступень эволюции классического ТВ. Наиболее реальным применение обратного канала наблюдается только в последнее время, когда заработали абонентские терминалы со встроенными микропроцессорами. Появилась возможность заказывать видео по требованию, пользуясь электронным меню, и платить за просмотр.
Можно считать, что период интерактивного кабельного ТВ в России начался в 1997 г., когда правительство Москвы приняло «Программу создания единой интерактивной интегрированной телевизионной сети Москвы», призванную обеспечить население города всеми видами информационных услуг, включая высокоскоростной выход в Интернет и Video on Demand.
Техническая реализация обратного канала имеет различный уровень сложности. Наиболее простой и дешевый вариант, который применяется в России — использование нескольких номеров многоканального телефона, при этом набор абонентом каждого из номеров является вариантом ответа на один из нескольких задаваемых вопросов. На головной станции СКТВ устанавливается относительно несложное оборудование на базе ЭВМ типа IBM PC, позволяющее организовать интерактивный режим работы СКТВ. Более совершенные системы интерактивного ТВ требуют разработки и изготовления специальных компьютеризированных абонентских терминалов, которые позволят декодировать и воспроизводить на экранах телевизоров буквенно-графическую информацию, передаваемую в составе ТВ сигнала по СКТВ.
Развитие оптоволоконной техники позволило заменить магистральные участки кабельных линий на оптоволоконные вставки длиной в несколько километров с использованием ЧМ лазерного луча звуковыми и видеосигналами. Данный способ требует больших аппаратных затрат, хотя и обеспечивает более высокое качество передаваемого сигнала. В субмагистральных сетях (с меньшей протяженностью) сигнал оптического передатчика можно модулировать непосредственно радиосигналом по амплитуде. Все это приближает стык оптоволокно-коаксиал к абоненту, так как коаксиальный кабель является «узким» местом с точки зрения пропускной способности по сравнению с оптоволоконными участками сети.
При сегодняшнем уровне технологии и диапазоне частот аналоговое ТВ начинает исчерпывать свои возможности. Поэтому, чтобы удовлетворить заинтересованность абонентов в разнообразии видеоинформации, часть частотного диапазона отводится под уплотнен
562
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
ные цифровые ТВ каналы, что позволяет дополнительно принимать несколько десятков программ. Японские и американские фирмы разработали телевизоры с встроенными блоками доступа в Internet, позволяющими их владельцам получать видеоинформацию в реальном времени; с той же целью преобразуют и компьютеры. Таким образом, имеются условия для создания универсального широкополосного абонентского терминала — super STB. Процесс перехода^ новым системам займет, очевидно, значительный временной интервал. В переходный период будет происходить поэтапное наращивание возможностей серийно выпускаемого оборудования СКТВ в части расширения перечня представляемых информационных услуг и повышения качества передаваемого изображения.
Следует также отметить, что передача сигналов в сетях интерактивного ТВ может осуществляться не только по коаксиальным и волоконно-оптическим кабелям, но и по беспроводным линиям связи в диапазонах дециметровых или сантиметровых волн. Экспериментальная система подобного типа действует в США (LMDS-служба местного многоабонентского вещания, диапазон частот 27,5... .. .28,5 ГГц; систему в дальнейшем планируется строить по сотовому принципу). В Санкт-Петербурге фирма «Вьюсонике» и ряд других фирм разработали аппаратуру MMDS: многоканальная (до 24 каналов) многоточечная распределительная система, диапазон частот 2,5...2,7 ГГц, возможна интеграция MMDS с существующими СКТВ. Проектированию и эксплуатации современных систем КТВ посвящен специальный тематический выпуск журнала «Телеспутник» [94].
Глава 21
СТЕРЕОТЕЛЕВИДЕНИЕ
21.1.	Основы стереотелевидения
Окружающий реальный мир воспринимается человеком пятью органами чувств. Но из них доминирующим является зрение, благодаря которому человек получает около 80...85 % всей информации. Объемность предметов, их взаимное расположение по глубине пространства и рельефность воспринимаются в основном благодаря наличию двух глаз. Для этого используется бинокулярное зрение, при котором основную роль играет глазной базис Ьо — расстояние между центрами зрачков правого и левого глаза. Значение глазного базиса для «среднего» зрителя составляет 65 мм.
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
563
Радиус стереоскопического зрения г0 прямо пропорционален глазному базису Ьо и обратно пропорционален порогу глубинного зрения <5, значение которого 10"...20":
г = Ь0/6.	(21.1)
Следовательно, для невооруженного глаза радиус (дальность) стереоскопического зрения в среднем
10/206000...20/206000
Для увеличения значения радиуса стереоскопического зрения, т.е. стереоэффекта, используют стереотрубы и бинокли. В этом случае стереоэффект повышается по двум причинам: из-за увеличения базиса наблюдения b и остроты стереоскопического (глубинного) зрения 1/6. Базис наблюдения по сравнению с невооруженным глазом увеличивается в Ъ/Ъ® раз, где b — базис прибора, т.е. расстояние между центрами объективов.
Если угловое увеличение бинокля или стереотрубы у, то глаз, используя эти приборы, может различить углы в у раз меньшие. Следовательно, порог стереоскопического зрения уменьшится до значения 6/у. Тогда стереоскопический радиус
т = by/6.	(21.2)
Подставляя 6 из (21.1) в (21.2), получаем
r = robr/bo-	(21-3)
Величина
П = 76/60	(21.4)
называется пластикой бинокулярного прибора и показывает, во сколько раз увеличивается объемность изображения рельефной натуры при наблюдении оптическим прибором по сравнению с наблюдением непосредственно глазом. Для биноклей b — 2Ь0 и у — 6, откуда П = 12, а для стереотруб пластика достигает 120. Бинокулярные приборы значительно повышают возможности стереоскопического восприятия пространства.
Бинокулярность в ТВ системе достигается съемкой передаваемого объекта с двух позиций. В простейшем случае это могут быть две передающие камеры, разнесенные на базис съемки, который определяется расстоянием между центрами объективов.
На оба фоточувствительных слоя датчиков сигналов будут спроецированы два изображения одной сцены. Эти изображения будут отличаться друг от друга, и это отличие тем больше, чем больше базис съемки Вс. Два изображения должны быть переданы и воспроизведены на двух экранах кинескопов или на одном. В последнем случае эти изображения необходимо разнести во времени или в
564
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
пространстве. Для получения эффекта объемности требуется раздельное рассматривание этих изображений, т.е. левый глаз должен видеть только то изображение, которое снято с позиции левой камеры, а правый — правой камеры.
Следовательно, для объемного воспроизведения ТВ изображений необходимы два условия. Во-первых, передача изображений с некоторым базисом съемки. Эти два кадра, снятые с разных позиций, называются стереопарой. Каждый кадр стереопары может передаваться одновременно или последовательно. В первом случае система стереотелевидения называется одновременной, во втором — последовательной. Во-вторых, необходимо раздельное рассматривание правым и левым глазом соответствующих кадров стереопары. Деление (сепарация) изображений стереопары для левого и правого глаза может осуществляться с помощью наглазных устройств, очков (индивидуальное) и с помощью растровых устройств (коллективное).
Растровые методы сепарации не находят практического применения из-за узкой зоны избирательного видения каждым глазом, что значительно ограничивает перемещение головы зрителя и вызывает утомляемость и большие неудобства. Кроме того, растровые методы обладают высокими потерями света.
Наглазные устройства — это стереоскопы, зеркальные или линзовые, очки из поляроидов и цветные очки. Стереоскопы применяют ограниченно и только в специальных системах стереотелевидения из-за конструктивных сложностей и неудобств эксплуатации. Очковый метод сепарации может быть поляроидным (изображения разделяются с помощью поляризации световых лучей во взаимно перпендикулярных плоскостях) и цветовым (разделяются по спектральному признаку).
На примере оптической схемы поляроидного метода сепарации стереопары рассмотрим принцип действия очковых методов деления кадров стереопары. На рис. 21.1 изображены два кинескопа 1, 2, которые располагаются перпендикулярно друг другу. Перед экранами этих кинескопов устанавливаются поляроидные пленки Рц, Р-. Плоскости поляризации этих пленок взаимно перпендикулярны. Изображения Л'п, Кл совмещаются на полупрозрачном зеркале 3. Наблюдатель снабжается очками из таких же поляроидов плоскости поляризации которых соответствуют плоскостям поляризации соответствующих поляроидов на экранах. В результате этого правый глаз видит правое изображение и не видит левого, а левый глаз — наоборот. Аналогично можно осуществить сепарацию с помощью цветных очков (анаглифов). В этом случае поляроидную пленку заменяют цветными фильтрами. Если установить перед экранами черно-белых кинескопов цветные фильтры (или использовать кинескопы с одноцветными экранами), например изображение на экране одного кинескопа Кп воспроизводить в красных тонах, а на экране второго кинескопа Кл в синих, то, совмещая оба изображения на
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
565
Рис. 21.1. Оптическая схема поляризационного метода сепарации стереопары
полупрозрачном зеркале 3 и рассматривая их через цветные очки с узкими спектральными характеристиками соответствующих цветов, получаем пространственный образ в пурпурных тонах.
В результате экспериментальных исследований первой стереоскопической телевизионной системы (СТС) получены очень важные результаты для дальнейших разработок аналогичных систем. Например, было показано, что при различных параметрах левого и правого изображений стереоизображение приближается по качеству к лучшему. Это позволило передавать одно изображение в более узкой полосе частот без ухудшения качества стереоскопического изображения. Кроме того, помехи, возникающие в электрическом канале, значительно менее заметны при передаче стереоизображения. Это объясняется тем, что помехи распределяются в объеме и не совпадают с деталями изображения. Было установлено, что неискаженное воспроизведение глубины пространства получится только при идентичности разверток изображения передающей и приемной сторон и кадров стереопары, а неидентичность разверток может увеличить или уменьшить стереоэффект в зависимости от характера нелинейности. Стереоэффект лучше проявляется при передаче движущихся изображений, особенно если движение идет в направлении камеры.
Быстрое изменение базиса съемки приводит к тому, что передаваемые предметы кажутся или приближающимися — при увеличении базиса, или удаляющимися — при его уменьшении. И наконец, если из-за различных факторов стереоэффект мелких деталей пропадает, то ощущение объемности сохраняется из-за стереоэффекта крупных деталей. Дальнейшие разработки СТС подтвердили полученные результаты и выявили другие особенности восприятия стереотелевизионных изображений, которые в основном относятся к подготовке и компоновке объектов передачи. Стереоэффект повышается при соответствующем освещении, увеличении цветного контраста, подчеркивании вертикальных границ передаваемой сцены и др.
Первое черно-белое стереоскопическое телевизионное изображение было получено в Ленинграде в 1950 г. коллективом кафедры ТВ ЛЭИС под руководством П.В. Шмакова [96].
566
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
21.2.	Стереоэффект телевизионной системы
Основными характеристиками СТС, определяющими стереоэффект ТВ системы, являются: пластика системы, глубина зоны объемной передачи и детальность воспроизводимого пространства по глубине.
Для определения пластики ТВ системы рассмотрим рис. 21.2,а. На плоскости М находится деталь N, которая фиксируется в плоскости фотокатодов Ф1Ф2 передающих трубок точками п\ и nz- Обозначим базис передачи через 6, а расстояние между точками п\ и nz — через А; Д — фокусное расстояние объективов Ол и Оп.
Линейный параллакс (см. гл. 2)
Рт — А — Ь — 6L1 — 0-2-
С другой стороны, из подобия треугольников niNnz и OjrNOn найдем b/А = 1/(1 -I- Д), и тогда 1 = bfi/(A - b) = bf^/p™. Отсюда
Pm = bf1/l.	(21.5)
Из (21.5) можно сделать два важных вывода.
1.	Линейный параллакс зависит от расстояния I плоскости М до плоскости объективов и не зависит от положения точки N на плоскости М. Все точки, лежащие на плоскости М, имеют одинаковый линейный параллакс рт. Следовательно, если разбить все пространство от объектива камеры до бесконечности на ряд зон параллельными плоскостями Mi, М2, М3,..., то предметы, лежащие на этих плоскостях, характеризуются линейными параллаксами pi, pz, Рз и т.д. При этом следует подчеркнуть, что для бесконечно удаленной плоскости значение рт = 0.
Рис. 21.2. К расчету пластики телевизионной системы
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
567
2.	Линейный параллакс зависит только от базиса съемки Ь, если заданы расстояние I и фокусное расстояние объективов Д. Следовательно, изменяя базис съемки, можно пропорционально менять линейный параллакс р}п. Если учесть, что линейный параллакс на экране приемника pk связан с линейным параллаксом съемки р7П соотношением
Рк = qpm,	(21.6)
где q — линейное увеличение телевизионной системы (отношение стороны кадра на приемном экране к стороне кадра на фотокатоде), то, следовательно, изменение рт создает на приемном конце разный стереоэффект.
Телевизионная система может повышать стереоэффект по сравнению с непосредственным рассматриванием натуры. Чтобы определить это повышение, необходимо знать значение1 полной пластики системы 77. Если рассматривать точку N невооруженным глазом на том же расстоянии I (рис. 21.2,6), то она будет видна под параллактическим углом а = Ьо/1) где Ьо — базис глаз.
Для определения порога глубинного зрения следует продифференцировать а по I:
da = -bodl/l2.	(21.7)
Для наглядности и простоты расчетов примем, что в приемном устройстве СТС установлен обычный линзовый стереоскоп с базисом, равным глазному 6о5 и фокусным расстоянием линз /2- Изображение стереопары воспроизводится на одном кинескопе, на экране которого размещаются рядом два кадра Кл и Кп (рис. 21.2,о). Для точки 7V&, расположенной на плоскости на основании (21.5) и (21.6) линейный параллакс приема
Pk = qpm = qbfi/l,	(21.8)
где /1 — фокусное расстояние объектива передающей камеры.
Точка N изобразится точкой Nk на расстоянии г от глаз наблюдателя. Для нахождения этого кажущегося расстояния обратимся к рис. 21.2,в. Из подобия треугольников с общей вершиной Nk и основаниями Ьо и Ak находим
_ bpfz (Ак - bo)
где /2 — фокусное расстояние линз
На рис. 21.2,в параллактический угол /3 = Ьо/т или на основании (21.8) и (21.9)
/5=?|оЛ	(21.10)
U2
= boh Pk
(21-9)
стереоскопа.
568
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Продифференцировав (21.10), получим порог глубинного зрения системы
=	(21-11)
J2 I2
Полная пластика СТС определяется отношением порога глубинного зрения телевизионной системы к порогу глубинного зрения глаза (21.7):
п = = АА da /2 5
где b/bo — удельная пластика системы, а /1//2 — увеличение системы, определяемое оптикой передающей камеры и линзой стереоскопа.
Детальность передаваемого пространства по глубине определяется числом раздельно передаваемых планов (плоскостей) и наименьшим расхождением их по глубине, которое заметит наблюдатель на экране приемной трубки.
Число раздельно воспроизводимых системой планов определяется максимальным параллактическим углом /Зтах, который может воспринимать наблюдатель. При увеличении этого параметра наступает двоение деталей изображения. Следовательно, /?тах определяет максимальную глубину сцены. Для идеальной СТС число передаваемых планов по глубине можно определить, зная максимальное и минимальное значения параллактического угла, при которых наблюдатель еще ощущает эффект объемности. Число передаваемых планов для идеальной СТС
Qh = Дпах/Дтпп*
Максимальное значение порогового параллакса /?тах было определено экспериментально в СТС и составило 60..70'. Для идеальной системы можно считать /Зтах » 5, где 6 = 20" — порог стереоскопического зрения наблюдателя. Исходя из этих данных, определим = 70'/20" = 210 планов. В реальных СТС параллактическое смещение точек пространства обусловливается не только наличием параллакса от базиса съемки /?, но еще и дополнительным параллаксом Д/3(т) из-за геометрических искажений: /?тах = Р + Д/3(я). Отсюда следует, что для реальной системы определяемый базисом съемки и нс вызывающий двоения деталей изображения максимальный параллакс Р — /?тах — Д/?(х). Из этого выражения видно, что в реальных СТС максимально допустимая глубина пространства уменьшается по сравнению с этой глубиной в идеальной системе, следовательно, уменьшается и число воспроизводимых планов.
Для реальной СТС число передаваемых планов поЧлубине
_ Ртлх Д/3(х) _ Jmax
Vp Д™ ' 2а
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
569
где /3 — 2а/z\ а — угол зрения объектива; z — число строк разложения. Если задаться значениями Д/3(х)	0,l/3max, z = 625 и а = 45°.
то Qp = 15 планов. Уменьшение числа планов в реальной СТС вызвано, во-первых, нелинейностью отклонения лучей передающих и приемных трубок, т.е. дополнительным «паразитным» параллаксом Д/3(.т), во-вторых, ограниченной полосой частот, т.е. разрешающей способностью СТС [96].
21.3.	Стереоцветное телевидение
Вещательные стереоцветные системы, способные воспроизводить изображение трехмерным, позволяют иметь более полное представление о передаваемом объекте, улучшая художественность, достоверность передачи, приближая нас к условиям естественного восприятия окружающей действительности. Воспроизведение объема в промышленных цветных установках вызывается необходимостью иметь дополнительную информацию о пространственном расположении предметов. Такие установки применяют, когда невозможно или опасно присутствие человека на объекте передачи.
В общем случае любая система стереоцветного телевидения (СЦТ) требует передачи двух цветных кадров стереопары. Если исходить из требований обеспечения стандартных параметров СЦТ изображений и каждый, цветной элемент передавать тремя цветоде-ленными сигналами, то, очевидно, для такой системы потребуется шестикратное увеличение полосы частот по сравнению с двумерной системой черно-белого телевидения. Необходимо передавать по каналу связи шесть сигналов: три Er, Ев и Eg — левый кадр цветной стереопары и такие же три сигнала от правого. Если взять за основу любую совместимую систему ЦТ, то полоса частот канала передачи сигналов СЦТ должна быть вдвое шире полосы частот стандартного цветного вещательного ТВ канала.
Поиски возможностей сокращения полосы частот без ухудшения качества цветного, стереоскопического изображения является одним из важных направлений на пути создания этих систем. В зависимости от поставленной задачи проблема сокращения полосы передаваемых частот может решаться по-разному. Если необходимо создать вещателыную систему СЦТ, совместимую с существующей системой ЦТ, то эта проблема становится первостепенной. При разработке систем СЦТ промышленного и прикладного назначения все зависит от назначения и области применения системы СЦТ. Тем не менее сокращение полосы передаваемых частот дает целый ряд как экономических, так и технических преимуществ. В некоторых промышленных системах качество воспроизведения цвета может быть снижено, если это упрощает аппаратуру. Что же касается воспроизведения объема, то в промышленных установках пространственные формы и объемное изображение должны либо соответствовать реальным объектам,
570
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
либо пропорционально уменьшаться или увеличиваться во всех трех измерениях. В вещании в зависимости от замысла режиссера воспроизведенный объем может быть несколько искажен, так как перспективу иногда необходимо изменять для подчеркивания того или иного плана пространства.
Параметры системы СЦТ для промышленных целей должны определяться назначением данной системы и могут в некоторых пределах варьироваться в зависимости от требований, предъявляемых по воспроизведению как цвета, так и стереоэффекта. Поэтому при разработке систем СЦТ для промышленных целей каждый раз решается конкретная задача, определяемая назначением системы СЦТ.
Следующим этапом в развитии телевидения как средства массовой информации после внедрения систем высокой четкости (ТВЧ) явится создание вещательных СЦТ систем. Особые трудности, возникающие при этом, связаны с системой, удовлетворяющей условию совместимости с существующими цветными системами телевидения. Это условие является определяющим при разработке системы вещательного телевидения. Однако необходимо учитывать, какой ценой достигается совместимость. Разработчикам ТВЧ уже на этом этапе выбора параметров системы необходимо предусмотреть возможность внедрения на базе ТВЧ совместимой системы СЦТ. Это позволит использовать канал передачи сигналов ТВЧ для получения СЦТ повышенного качества. Основной проблемой в создании совместимой вещательной системы СЦТ является разработка экономичного и простого в эксплуатации стереоцветного ТВ приемника. В телевизорах СЦТ сепарация изображений левого и правого кадров может осуществляться двояко: с помощью или оптического растра, расположенного непосредственно у экрана кинескопа, или очков. В первом случае конструкция телевизора СЦТ усложняется, так как при этом необходимо совместить электронный и оптический растры. Методы сепарации с применением очков просты на практике, но вызывают неудобство у зрителей.
Итак, для обеспечения совместимости необходимо, чтобы разрабатываемая система СЦТ занимала стандартную полосу частот цветного телевидения и обеспечивала при этом высокое качество изображения. В результате проведенных исследований установлено, во-первых, что для получения стереоцветного изображения можно использовать бинокулярное смешение цветов. Из колориметрии известно, что бинокулярное смешение цветов подчиняется тем же законам, что и обычное монокулярное, т.е. при раздражении сетчаток каждого глаза в отдельности разными цветами возникает ощущение нового, третьего, цвета, являющегося аддитивной смесью двух первых. Во-вторых, было доказано, что для получения стереоцветного изображения можно один кадр стереопары передавать черно-белым (яркостный сигнал), а другой — цветным. При этом эффект восприятия объема и цвета практически не ухудшается. В-третьих, оказалось, что
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
571
Рис. 21.3. Распределение частотных спектров сигналов СЦТ
полосу частот сигналов цветного кадра стереопары можно значительно сократить без заметного ухудшения объема, цвета и четкости при передаче яркостного сигнала другого кадра в полной полосе частот.
В 1962 г. на кафедре телевидения Ленинградского электротехнического института связи им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (ЛЭИС) была разработана стереоцветная система с совмещенными спектрами частот левого и правого кадров стереопары, занимающая стандартную полосу частот в 6,0 МГц (рис. 21.3).
Яркостный сигнал левого кадра Еул передается в полной полосе частот 6,5 МГц и несет информацию о четкости изображения. Яркостный сигнал Еуп в полосе частот 1,5 МГц модулирует косинусоидальную составляющую поднесущей /с построчно, а цветоразностные сигналы Дя-у)п и #(£_у)п также в полосе частот 1,5 МГц модулируют синусоидальную составляющую поднесущей /с поочередно через строку. Сигнал поднесущей Es, промоделированный в квадратуре сигналами Еуп, Е^_у^п и Е(д_у)п, можно выразить следующим образом:
Es = 2EYn cos(wt + </?) + 2£?(я_у)п[Е(В_у)п] sin(wf + </’) =
= \ EYn +	cos(w« + <р) + arctg -i--—.
V	v f	Lj\ n
Для системы СЦТ с квадратурной модуляцией поднесущей для m-й строки полный сигнал
Е^т = Еул 4- Еуп cos(wf 4- </?) 4-	sin(cuZ 4- 99),	(21.12)
а для (т 4- 1)-й строки
^ц(7п+1) = Еул 4- [ЕУп cos(cx4 4-^)4- E(B_Y)n sin(u>£ 4- 99)].	(21.13)
Из (21.12) и (21.13) видно, что в системе СЦТ с квадратурной модуляцией поднесущей и поочередной передачей цветоразностных сигналов E(R_yjn и Е(В_у}п четкость цветовой информации по вертикали уменьшается в два раза по сравнению с номинальной. Однако это не приведет к ухудшению цветовоспроизведения, так как четкость по горизонтали в цветном кадре стереопары также будет
572
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 21.4. Укрупненные структурные схемы частей СЦТ: а — передающая; 6— приемная
уменьшена из-за сокращенной полосы до 1,5 МГц. Укрупненные структурные схемы передающей и приемной частей системы СЦТ ЛЭИС показаны на рис. 21.4. Датчиком сигналов данной системы СЦТ в общем случае могут быть две камеры цветного телевидения 1 и 2. разнесенные на базис съемки (рис. 21.4,а). В частном случае могут использоваться одна черно-белая камера и одна цветная. Сигналы правого кадра стереопары Er и Ев подаются на коммутатор который управляется симметричными импульсами с периодом повторения, равным длительности двух строк. На выходе коммутатора 4 получается последовательность сигналов ERn, и Евп, следующих через строку. Эти сигналы вместе с сигналом Еуп, который получается в результате матрицирования входных сигналов ERn, Есп и Евп в матрице 5, поступают на матрицу 6, на выходе которой получаем последовательность цветоразностных сигналов Е^в-у)п и Е(в-у)п-Эта последовательность поступает на ФНЧ 8. где спектр сигналов ограничивается до 1,5 МГц. Сигнал Еуп также ограничивается по частоте до 1,5 МГц ФНЧ 7. Сигналы E^R-Y}n и E(B-Y)n последовательно поступают на балансный модулятор 10. а сигнал Еуп — на балансный модулятор 9. На два балансных модулятора 9, 10 в квадратуре подается поднесущая 4,43 МГц от генератора поднесущей 11. Яркостный сигнал Еул, полученный матрицированием сигналов Евп. Е(,'Ц и Еци в блоке 5, поступает на смеситель 12, где суммируется с сигналами Eyn, E^R__y^n и Е^В-у)п-
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
573
Полный сигнал СЦТ формируется согласно уравнению = = Еул + kiEn, где Еп = Eyn sincjc£ + &2£(я-у)п coscjc£ для ?п-й строки и Еп = Еуп sina>ct + А;зЕ(в-у')п coscucZ для (т + 1)-й строки; щс — круговая частота поднесущей; к\, к^ и к% — коэффициенты компрессии сигналов.
Коэффициенты к% и к3 такие же, как и в цветной системе NTSC: к>2 = 1/1,14, к3 = 1/2,03. Коэффициент к^ = 0,2...0,3 выбирается исходя из условия совместимости с системой черно-белого ТВ и допустимого уменьшения помехоустойчивости системы СЦТ.
На приемной стороне (рис. 21.4,6) сигнал поступает на высокочастотную часть приемника 7, усилитель промежуточной частоты 2 и амплитудный детектор 3. С выхода детектора сигнал разветвляется на усилитель с режекторным фильтром 9 и на усилитель с полосовым фильтром 4- На выходе полосового фильтра выделяется сигнал Еп, который одновременно поступает на три синхронных детектора 6, 7, 8, причем на синхронный детектор 6 сигнал поступает после линии задержки 5 на 64 мкс. В результате синхронного детектирования на выходе 6 получим последовательность цветоразностных сигналов £(В-У)п, ^(Я-У)п-. •, на выходе 7 £(н-у)п, ^(в-у)п- • •, а на выходе синхронного детектора 8 Еу. Ключевое устройство 10 обеспечивает разделение сигналов E(R_y^n и £,(в-у)П5 которые затем поступают на соответствующие входы матрицы 11. Синхронными детекторами управляет генератор поднесущей 12 (см. гл. 12). Приемные трубки (одна черно-белая, другая цветная) расположены перйендикулярно друг другу. Совмещение двух изображений и их сепарация осуществляются в соответствии с рис. 21.1.
В данной системе используется бинокулярное смешение чернобелого (яркостный сигнал) и цветного изображений, поэтому это приводит к некоторому снижению цветового контраста [97]. Кафедрой телевидения Санкт-Петербургского Государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича разрабатывалась однообъективная система стереоцветного телевидения (ОСЦТ). В этой системе передается стереоскопическое изображение в цвете, а информация об объеме кодируется таким образом, чтобы не создавать помех при приеме программы на цветные и черно-белые телевизоры. Следовательно, передачу цветных стереоскопических изображений можно наблюдать в двумерном виде на стандартных телевизорах без их переделок. Для получения эффекта объемности необходимо надеть специальные цветные очки. Одним из достоинств данной системы является ее простота: стандартные телевизоры цветного телевидения могут без каких-либо переделок использоваться как телевизоры СЦТ. Снимая цветные очки, зритель видит на экране цветного телевизора обычное двумерное цветное изображение. Основной отличительной особенностью данной системы СЦТ является использование в передающей телевизионной камере одного объектива.
574
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Эффект объемности достигается расфокусировкой оптических изображений предметов, лежащих за пределами глубины резкости объектива. Информация о глубинном расположении предметов закодирована разноцветной окантовкой вертикальных границ в изображении, причем степень раздвоенности границ пропорциональна параллаксу [8].
Во многих странах мира ведутся работы в области стереоцветного телевидения. Первые попытки проведения за рубежом опытных стереоскопических телевизионных передач, которые приобрели широкую известность, были предприняты в 1982 г. в Германии. Это был анаглифный метод воспроизведения изображений. В Японии также проводились эксперименты по стереоцветному телевидению, в которых использовалась передающая камера на ПЗС-структурах. Она позволяла получать два высококачественных кадра в полном стандарте. Эта система широко использовалась в рекламных целях для показа новой техники.
Некоторое оживление после определенного застоя получили системы воспроизведения объемных изображений без очков, так называемые растровые системы. Совместными усилиями ученых США, Японии и Германии были разработаны и изготовлены линзово-растровые системы. В отличие от предыдущих проектов в нем исходное кодированное изображение под линзовым растром воспроизводилось не с помощью электронно-лучевой трубки, а на специально сконструированной плазменной панели, конструктивно объединенной с растровым экраном. Такой способ позволил обойтись в воспроизводящем устройстве без применения специальных мер для стабилизации положения электронного растра относительно линзового.
Трудности, связанные с созданием вещательной системы стереоцветного телевидения, определяются тем, что дополнительные средства, используемые для разделения изображений кадров стереопары и совмещения этих кадров на общем экране, либо увеличивают утомляемость, либо ухудшают качество воспроизводимого изображения. Кроме этого, характерной особенностью стереотелевизионных изображений является большая информационная избыточность, содержащаяся в кадрах стереопары. Сокращение этой избыточности позволит использовать стандартные каналы связи для передачи сигналов стереопары и тем самым создать предпосылку к разработке системы вещательного стереоцветного телевидения.
Известны несколько методов сокращения избыточности, однако их практическая реализация в разработках вещательных систем стереотелевидения пока не осуществлена.
Значение этой избыточности зависит от класса передаваемых изображений, сюжета и т.д. Многие предлагаемые способы передачи информации о пространственной глубине расположения объектов так или иначе связаны с сокращением этой избыточности. Сокращать
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
575
избыточность можно передачей одного из кадров стереопары, являющегося совместимым изображением для двумерного телевидения, а формирование второго кадра стереопары для получения стереоскопического изображения — восстановлением его из сигнала параллакса или другого сигнала, несущего информацию о глубинном расположении предметов на объекте с переданным в полной полосе частот кадром стереопары (совместимым). Может быть использован и другой метод, названный методом промежуточных строк. Сущность одного из методов кодирования информации о стереоэффекте состоит в том, что для каждой точки передаваемого телевизионного изображения вычисляются значения вспомогательных величин, характеризующих пространственное расположение этой точки по глубине. Чтобы определить одноименные точки в обоих кадрах стереопары, необходимо их выделить из других точек, т.е. идентифицировать. Зрение человека делает это автоматически. В телевизионной системе необходимо эту операцию осуществить с помощью специальных алгоритмов обработки изображений или других технических приемов. Один из таких методов —.использование в аэрофотосъемках идентификации одноименных точек методом корреляционного анализа.
На кафедре телевидения Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича был разработан метод идентификации, основанный на относительно небольших периодических смещениях точки съемки и формировании таким образом условного изображения (параллаксограммы), позволяющий в некоторых случаях упростить процесс автоматического анализа передаваемой сцены для определения ее пространственных характеристик [98].
В последние годы благодаря прогрессу в области разработки светокоммутирующих элементов, обладающих малой инерционностью, появилась возможность реализации последовательной системы стереотелевидения в замкнутых системах (локальные стереоскопические видеосистемы, трехмерная компьютерная графика, развлекательные системы домашнего пользования).
В вещательном телевидении в связи с интенсивными работами в области ТВЧ открывается возможность использования широкополосных каналов для передачи стереоцветных изображений без ухудшения их качества.
Широкое развитие техники съемки, передачи и воспроизведения стереоскопических изображений находит прикладное применение.
Важность продолжения исследований по разработке системы СЦТ закладывает основы новой культуры передачи зрительной информации. Для эксплуатации этих новых систем СЦТ необходимо подготовить технические кадры, а также потребуются новые специфические навыки режиссерской и операторской работы.
576
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
21.4.	Перспективы развития стереотелевидения
Пути и формы развития ТВ вещания определяются исходя из задачи повышения качества ТВ изображения и увеличения степени его соответствия передаваемому оригиналу. Очередным этапом развития будет создание систем высококачественного телевидения с повышенным числом строк, увеличение размеров экранов воспроизводящих устройств с изменением формата кадра — переход к широкоформатному телевидению. Кроме того, телевидение будет развиваться по пути совершенствования сервисного обслуживания телезрителей — широкое использование микропроцессорной техники для управления телевизором, который будет многофункциональным терминалом.
Следующим этапом станет создание систем стереоцветного телевидения. Новые системы телевидения должны быть лишены недостатков современных систем СЦТ, таких как передача только одного ракурса, невозможность обзора (оглядывания) объекта передачи, недостаточная глубина пространства воспроизводимых изображений, наличие очков у зрителей или жесткая фиксация положения зрителей, если используется растровая сепарация изображений, и т.д. [99]
Совершенствование систем СЦТ в этом направлении возможно, например, по пути создания многоракурсных и голографических систем.
Многоракурсное телевидение. Принцип действия многоракурсной системы телевидения заключается в съемке объекта передачи с многих позиций несколькими десятками, а может быть, и сотнями передающих камер, расположенных определенным образом, в передаче этих изображений и воспроизведении всех переданных изображений на общем специальном экране.
Особенностью системы является возможность зрителя, перемещаясь в горизонтальном направлении, оглядывать передаваемое изображение и видеть те предметы, которые заслонялись другими объектами при определенной позиции рассматривания.
Структурная схема многоракурсной системы показана на рис. 21.5. Съемка объекта, расположенного в плоскости 00, осуществляется N передающими трубками 7, размещенными по дуге А Б. Каждая передающая трубка формирует двумерное изображение, которое отличается от изображения, полученного соседней трубкой, только горизонтальным параллаксом. Расстояние между передающими трубками определяется угловой плотностью ракурсов и равно угловому интервалу Д92 =	— 1), где (/? — угол обзора объекта
совокупностью трубок; N — число передающих трубок.
Одним из основных параметров многоракурсной системы является угловая плотность повторения ракурсов, которая тем больше (т.е. тем меньше угол Д<р), чем большее число ракурсов необходимо передать. В этом случае дискретность ракурсов менее заметна.
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
577
Рис. 21.5. Структурная схема многоракурсной системы телевидения
Действительно, при N —> оо, т.е. когда число передающих трубок бесконечно, переход от одной позиции рассматривания к другой происходит плавно, как в реальных условиях наблюдения. Если же число трубок конечно — значит все передаваемое пространство разбито на дискретное число ракурсов, поэтому7 при переходе от одной позиции рассматривания к другой возникает «скачок» ракурса, так как промежуточные значения между двумя точками зрения не воспроизведутся. Для обеспечения условия относительно плавного оглядывания пространственных объектов угловая плотность ракурсов определяется экспериментально — ее значение колеблется от 10 до 15.
Сигналы от N передающих трубок могут передаваться одновременно или последовательно, но в том и другом случае общая полоса частот многоракурсного телевидения AF = TVAFo, где AF0 — полоса частот одного канала.
Сигналы от всех трубок поступают на кодирующее устройство Кд, а затем по каналу связи на декодирующее устройство Дк.
Приемная сторона состоит из N приемных трубок, изображения с экранов которых проецируются и совмещаются на общем экране, расположенном в плоскости О'О'. Многоракурсная система определяется способом технической реализации ее наиболее сложного и принципиального узла — селектора ракурсов, обеспечивающего раздельное рассматривание изображений левым и правым глазом. Селекция может осуществляться как непосредственно вблизи плоскости совмещения О'О', так и на некотором удалении от нее в пространстве А' Б, соответствующем месту расположения объективов передающих камер АБ. Селектор ракурсов может строиться на основе известных методов разделения левого и правого кадров стереопары в бинокулярных стереотелевизионных системах, при этом могут применяться как растровые, так и голографические методы селекции.
Голографическое телевидение. Голография открывает совершенно новые возможности построения системы объемного теле-
578
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 21.6. Схема голографического телевидения
видения, которые позволяют наиболее полно использовать технические средства передачи зрительной информации. Воспроизводимое голограммой изображение является оптическим аналогом объекта, позволяющим не только воспроизводить глубину пространства, но и обеспечивать эффект обзора. На изображение можно смотреть с разных направлений через голограмму, как через окно в реальный мир. Размер окна определяется апертурой голограммы. На голограмму записывается бесконечное число ракурсов, непрерывно переходящих один в другой, поэтому при обзоре изображений с разных сторон отсутствуют «скачки» ракурсов.
На рис. 21.6 показана примерная схема голографической системы телевидения. На мишени передающей трубки 5 создается голограмма передаваемого объекта 1 с пространственной частотой записи г/ = sin0/A, где 0 — угол между волновым фронтом (предметным потоком) и опорным потоком лазерных лучей; А — длина световой волны лазера
Предметный и опорный потоки создаются одним лазером который с помощью объектива 3 освещает передаваемый объект 1 и зеркало 2. Следовательно, на мишени передающей трубки накладываются два потока, отраженные один от объекта, другой — от зеркала. Мишень передающей трубки регистрирует волновую картину когерентного света, рассеянного объектом передачи, а опорный пучок обеспечивает запись информации не только об амплитуде, но и о фазе отраженного от передаваемого предмета света [100].
Записанная таким образом голограмма поступает на кодирующее устройство 6, а затем передается по каналу связи на декодирующее устройство 7 приемника. Полученный сигнал модулирует лазерный кинескоп 8. Модулированный когерентный световой поток с кинескопа 8 объективом 9 проецируется на светочувствительную поверхность. 11. Так осуществляется реконструкция голограммы. Изображение восстанавливают, освещая голограмму световым потоком от лазера 10.
]3 лазерном кинескопе вместо люминофорного экрана помещен
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
579
полупроводниковый лазер, который под действием электронного луча излучает когерентный поток света [101]. Следует отметить, что приведенная схема отражает лишь общие принципы передачи и воспроизведения голографических изображений.
При рассматривании восстановленных голограммой изображений можно не только ощутить глубину пространства, но и осмотреть его с различных сторон. При реализации голографических ТВ систем возникает много технических трудностей, связанных с большой информационной емкостью голограмм и высокой удельной плотностью информации. Это объясняется тем, что любая точка предмета, обращенная к голограмме, освещает ее всю и в каждую точку голограммы попадает информация от всех точек объекта. Следовательно, даже часть голограммы несет полную информацию о передаваемом объекте. Поэтому полоса частот, необходимая для получения голограммы и определяемая соотношением AF = 2Svn. где S — площадь голограммы на мишени; п — число кадров в секунду, получается чрезвычайно широкой. Кроме того, создание анализирующих и синтезирующих устройств с таким высоким разрешением — задача пока нерешенная.
Голографические методы вызывают большой интерес для использования их в объемном телевидении. До сих пор эти методы не применяются из-за ряда технических ограничений, связанных как со съемкой, так и с процессом воспроизведения объемных изображений.
Создание голографических ТВ систем — задача будущего. Естественно предположить, что развитие объемного телевидения может пойти по пути постепенного усложнения от стереоскопических систем с одной стереопарой через многоракурсные системы к голографическим.
Глава 22
ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ КОНТРОЛЬ
И ИЗМЕРЕНИЯ
22.1. Методы и критерии оценки качества телевизионных изображений
К ТВ измерениям относят измерения световых и электрических параметров приборов и аппаратуры, обеспечивающих передачу и прием ТВ информации, величин, характеризующих режимы их работы, а также техническое качество ТВ изображений.
580
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Телевизионная метрика охватывает обширный комплекс световых и радиотехнических измерений. С помощью световых измерений оценивают характеристики передаваемого и воспроизводимого изображений, качество преобразований свет-сигнал и сигнал-свет при анализе объекта передачи и синтезе ТВ изображений на экране воспроизводящего устройства. Радиотехнические измерения позволяют оценивать процесс формирования ТВ сигнала, его преобразования при передаче и приеме, качество ТВ каналов аппаратно-студийных комплексов телевизионных центров, радиорелейных, кабельных и спутниковых систем связи, радиопередающих и ретрансляционных ТВ станций, а также телевизоров систем коллективного приема. Эти измерения основываются на использовании информационных свойств ТВ сигнала, а также специальных ТВ измерительных сигналов, параметры которых выбирают из соображений наибольшей чувствительности к определенным искажениям.
Измерение — это процесс, характеризующийся получением опытным путем численного отношения между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения. Результат измерения выражается в виде именованного числа (вольты, амперы и т.п.), совокупности чисел, графиков.
Контроль — это операция, сводящаяся к сопоставлению и установлению соответствия параметра или характеристики проверяемого сигнала и пределов задаваемых допусков. Результат контроля — логическое заключение или некоторое суждение, например «в норме» — «не в норме», «больше» — «меньше» и т.д.
Различия в этих определениях в связи с быстрым совершенствованием измерительных и контрольных ТВ устройств в некоторой степени условно, так как методы и технические средства измерений и контроля взаимно связаны. Например, в цифровых приборах с автоматическим выбором диапазона измерений при отыскании требуемого диапазона проводятся операции примерно такие же, как в устройствах допускового контроля. Использование же цифровых методов в допусковом контроле позволяет получать результаты сравнения с допуском в виде не только качественного суждения, но и количественной меры выявленного отклонения и т.д.
Под точностью понимают близость результатов измерения к истинному значению измеряемой величины. Погрешность измерения — отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. На практике определяют лишь приближенное значение погрешности измерения, поскольку истинное значение измеряемой величины остается неизвестным.
Телевизионную контрольно-измерительную информацию (информацию о значениях измеряемых физических величин) извлекают из световых, электрических и радиосигналов. Под ее обработкой понимают процесс, в результате которого контрольно-измерительная
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
581
Таблица 22.1
Оценка качества	Контроль в процессе передачи	Периодический контроль
Прямая субъективная Прямая объективная Косвенная субъективная	Программный материал Программный материал Испытательные строки	Испытательные сюжеты Испытательные сюжеты Кадровые испытательные сигналы
информация становится максимально подготовленной для последующих операций — представления оператору, ввода в ЭВМ и т.д. На практике основные возможности данного ТВ тракта обычно характеризуют рядом показателей. Это позволяет достаточно надежно предсказать ожидаемое качество воспроизводимого ТВ изображения.
Качественные показатели ТВ изображения условно можно подразделить на световые и растровые.
Световые показатели изображения — максимальная яркость, контраст, число воспроизводимых градаций яркости, диапазон воспроизводимых цветов, качество цветопередачи, четкость, резкость, а также различные искажения, проявляющиеся в нарушении распределения яркостей и цветностей в изображении.
Растровые показатели — это размеры и формат кадра, нелинейные и геометрические искажения растра, возникающие в передающих и приемных устройствах, которые в основном нарушают геометрическое подобие принятого изображения его оригиналу. Сюда же можно отнести показатели, характеризующие качество совмещения растров в передающей и приемной аппаратуре, стабильность их положения. Качественные показатели ТВ растров практически не связаны с характеристиками ТВ канала, а определяются развертывающими устройствами передающих и приемных трубок.
Для аналоговых ТВ систем характерны такие виды искажений, как размытость границ, повторные изображения, цветные окантовки, искажение яркости и цветности, хаотические изменения яркости и цветности и т.д. Эти искажения обусловлены различными нарушениями работы ТВ тракта, и одной из основных задач ТВ измерений является оценка их величин и выявление источника искажений.
В цифровом ТВ некоторые искажения изображения, связанные с процессом кодирования и дефектами цифрового сигнала (дрожание, цифровые ошибки и т.д.), отличаются от искажений, характерных для аналогового ТВ, и проявляются, например, в виде блочной структуры, специфических шумов и т.д. Как в аналоговых, так и в цифровых системах искажения могут зависеть от содержания передаваемого изображения.
Классификация методов измерения качества изображений представлена в табл. 22.1.
В соответствии с представленной классификацией оценка качества изображений может быть субъективной или объективной, прямой или косвенной. Субъективные измерения являются результатом
582
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
оценки наблюдателями качества изображения. Объективные измерения выполняют с помощью аппаратуры. При этом показания считываются операторами или автоматически с использованием математического алгоритма. Прямые измерения выполняют на материале, представляющем интерес, в данном случае на изображениях. Косвенные измерения осуществляют, обрабатывая специально разработанные тестовые сигналы, при этом оценивается не качество изображения, а параметры видеосигнала. Субъективные измерения выполняются только прямым способом, так как мнение наблюдателей относительно тестового сигнала не особенно значимо для оценки качества изображения. (Однако экспертный взгляд на кадровый тест-сигнал полезен как способ определить характер искажения сигнала.)
Контроль качества можно осуществлять в процессе передачи во время отображения программы, непосредственно оценивая программный материал, или косвенно, по сигналам испытательных строк, а также периодически в перерывах между передачами. При периодическом контроле, соответствующие испытательные сюжеты используются для прямых измерений, а кадровые испытательные сигналы — для косвенных измерений.
Хотя в системах NTSC, PAL, SECAM происходит сокращение объема передаваемой информации, они рассматриваются как системы, не использующие сжатие. Измерения качества сигнала (объективные косвенные) — хороший способ определить качество изображения для таких систем, поскольку имеется сильная математическая корреляция между субъективными измерениями, сделанными по изображениям в системе, и объективными измерениями, сделанными по соответствующим испытательным сигналам в той же системе. Корреляция несовершенна для всех тестов. Существуют искажения в композитных системах, типа ложных цветовых сигналов, вызванных высокочастотной составляющей яркости, которые трудно измерить объективным способом. Также возможны объективные измерения, которые не соотносятся прямо с субъективными результатами. Однако такие объективные результаты часто очень полезны, потому что их эффект будет замечен наблюдателем, если изображения обработаны таким же образом неоднократно — например, многократная перезапись изображения, использующая аналоговое устройство записи изображений на ленту.
Некомпрессированная аналоговая система и цифровая система в полной полосе частот являются линейными, т.е. система инвариантна ко времени, сигнал независим и применима суперпозиция. Качество сигнала измеряют по соответствующим испытательным сигналам, по искажениям которых определяют качество канала передачи или характеристики обработки изображений. Эти испытательные сигналы могут быть очень короткими, например, одна строка в вертикальном интервале. Качество сигнала несжатых изображений остается
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
583
критическим в системах, которые используют компрессию, по нескольким причинам:
•	видеопоследовательности на входе компрессионного кодека должны быть точными, в согласии с соответствующими стандартами, а качество — высоким насколько возможно, чтобы обеспечить эффективное кодирование;
•	обработка изображений типа добавления заголовков и специальных эффектов не может быть выполнена в сжатой области;
•	не всегда в производстве целесообразно использовать сжатие из-за стоимости и качества кодеков сжатия;
•	для различных форматов сжатия единственное условие быть обмененными — полный уровень скорости передачи информации (в битах).
Это приводит к жестким требованиям для испытания аналоговой и цифровой части с полной полосой.
С появлением цифровых систем оценка качества изображений становится более сложной. Основным преимуществом цифровых методов обработки изображений является возможность кардинального сокращения объема передаваемой информации и обеспечения сжатия и передачи нескольких ТВ программ в одном радиоканале. При этом ранее используемые методы испытания качества изображения неприменимы для оценки кодеров, так как традиционные испытательные сигналы и изображения легко сжимаются с небольшими искажениями или потерями. Поэтому измерение оценки качества изображения требуют прямого метода, использующего естественные сюжеты, или эквивалентные, которые намного сложнее, чем традиционные испытательные сигналы.
22.2.	Контроль качества изображений в аналоговых телевизионных системах
2	2.2.1. Субъективный контроль качества изображений
При оценке изменения качества ТВ изображения в зависимости от уровней искажений или помех в ТВ сигнале применяют методы субъективно-статистических экспертиз. Поскольку основой таких экспертиз является использование специальных и универсальных испытательных изображений, им должно быть уделено особое внимание. В качестве испытательных выбирают изображения, близкие по характеру к наиболее часто встречающимся в практике ТВ вещания. Это изображения человеческого лица (крупный и средний план), групп людей, пейзажей и архитектурных композиций с большим числом деталей разного размера. Эти изображения должны иметь достаточную гамму полутонов и содержать контрастные переходы (яркостные и цветовые). С учетом требований учебного ТВ
584
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
этот перечень можно дополнить изображениями, содержащими надписи, формулы, графический материал и т.д. Для оценки систем цифрового телевидения требуются подвижные изображения.
При рассмотрении различных видов искажений, как правило, приводятся зависимости ухудшения качества ТВ изображения от искажений, возникающих в ТВ тракте. Это важно при установлении норм, а также при разработке измерителей, в том числе для автоматической оценки качества ТВ изображений.
Субъективные экспертизы проводят в соответствии с определенной методикой, которая регламентирует испытательные изображения, выбор наблюдателей, шкалы оценок, условия наблюдения, порядок проведения измерений и обработку их результатов. В ряде случаев такие экспертизы могут быть дополнены инструментальными измерениями, сущность которых заключается в применении специальным образом сформированных полей сравнения, яркостных и цветовых отметок.
При выборе наблюдателей предпочтение обычно отдают неспециалистам, особенно, если в результате измерений необходимо определять допуски на искажение. Следует только избегать участия наблюдателей, имеющих значительные пороки зрения. При субъективных экспертизах наблюдатели должны знать методику проведения эксперимента, шкалы оценок в диапазоне ухудшений изображений, используемых в ходе эксперимента. Наблюдателей должно быть, по крайней мере, десять.
При установлении зависимости качества изображения от искажения МККР рекомендует применять пятиградационные шкалы качества и ухудшений.
Шкала качества
5 — «отлично»
4 — «хорошо»
3 — «удовлетворительно»
2 — «плохо»
1 — «очень плохо»
Шкала ухудшений
5 — «незаметно»
4 — «заметно», но не мешает
3 — «немного мешает»
2 — «мешает, раздражает»
1 — «сильно мешает»
При эксперименте для сравнения изображений рекомендуется
следующая шкала:
Шкала сравнения
4-3 — «намного лучше»
4-2 — «лучше»
4-1 — «немного лучше» О — «одинаково»
— 1 — «немного хуже»
—2 — «хуже»
—3 — «намного хуже»
Если не требуется определять зависимость качества изображения ол' разных уровней помехи (или искажения), а необходимо лишь установить предельно допустимое значение помехи, например для выработки допуска, часто применяют двухградационную шкалу оценок. Такая шкала устанавливает соответствие качества изображе
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
585
ния, предъявляемого наблюдателю, заданному критерию. Критерий качества изображения в данном случае — это средняя оценка, данная группой наблюдателей.
В практике проведения субъективных экспертиз наряду с пятибалльной шкалой существуют и другие шкалы (шести- и семибалльные). Для сопоставления результатов, полученных с применением шкал, имеющих разное число баллов, используют нормализованную шкалу оценок, основанную на преобразовании интервала их изменения в единичный. Оценки нормализованной шкалы связаны с оценками пятибалльной шкалы:
г г _ 1	м
и= 4 	(7 = 4u+l; U = ^гре,	(22-1)
г=1
М
где — число оценок; М — общее число оценок; N = U — i=l средняя экспериментальная оценка.
2	2.2.2. Контроль качества изображений с помощью испытательных строк
Качество вещания в процессе передачи программ можно контролировать передачей испытательных сигналов (ИС) во время обратного хода по кадру. Такой метод контроля получил наименование метода испытательных строк.
Системы, использующие этот метод, позволяют организовать сквозной допусковый контроль видеотракта в целом, а также отдельно его звеньев, поэтому такие системы выгодно использовать в качестве источника измерительной информации в телевизионных измерительных информационных системах (ТИИС) [102], предназначенных для контроля ТВ каналов и передающих радиостанций в процессе передачи. Наличие испытательных строк в сигнале, излучаемом радиопередающей ТВ станцией, позволяет рассматривать ее как мощный генератор испытательных сигналов, которые могут приниматься во всей зоне действия станции. Благодаря этому возможен сквозной допусковый контроль ретрансляторов, работающих от этой станции, а также объективная оценка параметров приемных антенн индивидуального и коллективного пользования, распределительных сетей и т.д.
Работы по выбору оптимальной формы контрольных сигналов и их местоположения в видеосигнале позволили в рамках международных организаций разработать стандартную форму испытательных сигналов (ИС) и их местоположение в интервале кадрового гасящего импульса.
На рис. 22.1 показано местоположение интервалов введения контрольных сигналов в кадровом гасящем импульсе. В 16-ю и 329-ю
586
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 22.1. Местоположение интервалов введения испытательных строк в кадровом гасящем импульсе и их расположение на приемном экране
Рис. 22.3. Испытательный сигнал II
строки вводятся сигналы опознавания пункта введения. Строки 17,18 и 330, 331 выделены для сигналов контроля международных ТВ каналов, строки 19, 20, 21 и 332, 333, 334 могут использоваться для контроля ТВ канала внутри страны. Для контроля основных качественных показателей телевизионных трактов в процессе передачи в настоящее время используются ИС (рис. 22.2-22.5) и сигналы опо-
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
587
Рис. 22.4. Испытательный сигнал III
Рис. 22.5. Испытательный сигнал IV
Рис. 22.6. Испытательный сигнал V
знавания (рис. 22.6) в интервале кадрового гасящего импульса.
В состав сигналов, вводимых в одну строку (см. рис. 22.2, 22.4), входят:
•	импульс «белого» — для контроля диаграммы уровней и переходной характеристики в области среднего времени;
•	синусквадратичный импульс длительностью 166±10 нс — для контроля переходной характеристики в области малого времени;
•	импульсный сигнал для контроля сигналов яркости и цветности;
•	пятиступенчатый сигнал, на который может быть наложено синусоидальное напряжение частотой 1,2 или 4,3 МГц, для измерения нелинейности амплитудной характеристики, дифференциального усиления и дифференциальной фазы (при насадке 4,43 МГц) и для оценки влияния сигнала цветности на сигнал яркости (включением и выключением насадки 4,43 МГц).’ Измерительные сигналы, вводимые в другую строку (см.
588
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
рис. 22.3), состоят из шести серий (пакетов) синусоидальных колебаний частот: 0,5; 1,5; 2,8; 4,43; 5,0 и 5,8 МГц, расположенных на пьедестале и предназначенных для контроля АЧХ в шести дискретных точках. Размахи этих пакетов на выходе контролируемого тракта измеряются в процентах относительно размаха специального прямоугольного импульса, расположенного перед пакетами.
Сигналы опознавания (см. рис. 22.6) пунктов введения рассмотренных сигналов вводятся в строку первого поля, расположенную перед первой испытательной строкой (см. рис. 22.1), они состоят из четырех прямоугольных импульсов, длительность которых может изменяться в пределах от 1 до 10 мкс дискретно через 1 мкс. При этом обеспечивается возможность опознавания до 10000 пунктов [103]. Предусмотрено «гашение» ранее замешанных в видеосигнал ИС и помех в интервалах, в которые должны быть введены контрольные сигналы и сигналы опознавания.
22.3.	Контроль качества изображений в цифровых телевизионных системах
22.3.1.	Требования к контролю качества работы цифровых телевизионных систем
Стандарт MPEG-2 и связанные с ним стандарты DVB и ATSC потребовали не только новой терминологии, но и совершенно новых методов контроля и измерений. Цифровым телевизионным системам присущи следующие особенности, важные для организации контроля их работы fl04]:
1.	Для передачи цифровых сигналов ТВ вещания по каналам связи используется сжатие исходной видеоинформации, т.е. довольно сложное нелинейное преобразование. При этом возможны неадекватность и слабая корреляция результатов измерений с помощью детерминированных измерительных сигналов с субъективными оценками качества изображений.
2.	В отличие от аналогового телевидения субъективное качество изображения в цифровых системах существенно зависит от содержания сюжета или сцены и может сильно изменяться во времени в процессе передачи произвольных видеопоследовательностей.
3.	Сигналы в цифровых системах ТВ вещания имеют иную структуру, чем в аналоговом телевидении, и представляют собой цифровые транспортные потоки, параметры которых можно измерять с помощью анализаторов этих потоков.
Для организации контроля качества изображений в ЦТВ требуется решить следующие задачи:
•	выбрать систему параметров, позволяющих достаточно полно оценить качество изображений и работоспособность отдельных
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
589
звеньев и канала передачи в целом при установке и эксплуатации телевизионной аппаратуры;
•	разработать методы измерения выбранных параметров;
•	выбрать измерительное оборудование, необходимое для измерения выбранных параметров, с требуемыми характеристиками (точностью, быстродействием, надежностью, габаритами и т.д.). Стандарты DVB и ATSC основаны на системе сжатия телевизионного сигнала MPEG-2, но определяют множество способов распространения телевизионных программ (эфирные, кабельные, спутниковые и т.д.). В соответствии с этим набор контролируемых параметров включает в себя две группы: первая предназначена для контроля транспортных потоков MPEG-2 и является общей для всех сред распространения, вторая предназначена для контроля канального оборудования и учитывает специфику различных систем передачи телевизионных программ.
Учитывая вышесказанное, на первых этапах внедрения ЦТВ, когда, в первую очередь, необходимо обеспечить работоспособность системы, следует ограничиться наиболее важными параметрами, в основном определяющими качество сигнала, и позволяющими контролировать отдельные звенья канала передачи.
К наиболее информативным измерениям в различных системах DVB, ATSC, позволяющим диагностировать работу большинства звеньев вещательного тракта, относят: параметры транспортного потока (TS), частоту ошибочных битов (BER), отношение сигнал/шум и анализ квадратурных (IQ) сигналов.
Контроль параметров TS на входе и выходе системы или ее отдельных каналов позволяет определить работоспособность системы.
Очень полезно для определения зоны действия и качества сигнала измерять зависимости частоты ошибочных битов (BER) от отношения сигнал/шум. Эта зависимость может быть снята па приемной стороне, чтобы оценить качество принимаемого сигнала, или на передающей стороне — качества исполнения передатчика. Этот параметр полезен также при введении в действие системы.
Другим важным источником искажений сигнала является модулятор. Для оценки его работы и исследования причин, вызывающих искажения сигнала, используют анализ /Q-сигналов.
На рис. 22.7 представлена обобщенная схема цифрового тракта передачи и приема современной цифровой ТВ системы. Задачей систем контроля в таких системах является контроль и поиск источника битовых ошибок, как в цифровой, так и в радиочастотной области. Рисунок указывает путь, по которому цифровые данные, полученные от источника сигнала (например, видеокамеры), передаются на приемник, цифровой телевизор или цифровую приставку для аналогового телевизора, и точки контроля, где можно подключить измерительное оборудование.
Рис. 22.7. Контроль параметров современной ТВ системы
590	ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
591
22.3.2.	Основные параметры, контролируемые в ЦТВ
1.	BER перед декодером Рида- Соломона. Основным параметром, который описывает качество цифрового канала связи, является BER перед декодером Рида-Соломопа, который определяется отношением между числом ошибочных битов и числом передаваемых битов. Обычно стремятся достичь BER на уровне 10-9. Искажения, наблюдаемые во время эксплуатации, повышают BER до значений, больших 10-4.
Частоту ошибочных битов можно измерить двумя методами:
•	на вход кодера подается известная последовательность и сравниваются ожидаемый и полученный сигналы;
•	в процессе нормальной работы канала (в режиме вещания) сравниваются битовые последовательности на входе и выходе декодера Рида-Соломона. Счетчики сбрасываются, если встречаются некорректируемые ошибки. Измерение считается ненадежным, если относительная частота ошибок превышает 10“3.
2.	BER после декодера Рида-Соломона позволяет оценить, является ли TS MPEG-2 свободным от ошибок. Измерения производят по испытательной последовательности, как и в первом методе предыдущего случая. Отличие заключается в том, что подсчитывается число ошибочных битов, а не отношение.
3.	Мощность сигнала измеряют на входе или выходе ВЧ преобразователя тепловым датчиком в заданной полосе пропускания, используя калиброванный ответвитель. При использовании спектрального анализатора или измерительного приемника мощность сигнала оценивается в номинальной полосе пропускания сигнала.
4.	Мощность шума. Мешающие сигналы вызываются различными источниками и имеют разную природу. К ним относятся случайный шум (тепловой), псевдослучайный (интерференция цифровых модулированных несущих) или периодические сигналы (гармонические сигналы или узкополосная интерференция). Мощность шума измеряется спектральным анализатором при выключенной поднесущей. В процессе вещания мощность шума оценивается по глазковой диаграмме или диаграмме множества /Q-сигналов. В этом измерении все различные типы шума измеряются одновременно, и результат измерения выражается как нежелательная мощность.
5.	Измерение параметров IQ-сигналов производится по всему множеству точек {Ij.Qj}-. j = 1...М (М — число допустимых состояний модулятора). Для получения достоверных результатов необходимо анализиовать N принятых символов, причем N М. Координаты каждого полученного символа представляются в форме
I3=I3 + <5Zy; Q3=Q3+8I3.	(22.2)
где Q3 — ожидаемые («идеальные») координаты символа; 813, 8Q3 — смещение измеренных координат (вектор ошибки); j = 1...1V.
592
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Общее качество модуляции сигнала оценивается двумя параметрами:
•	коэффициентом ошибок модуляции (MER);
•	величиной вектора ошибок (EVM).
Для более детального анализа искажений для каждой точки j из М символьных точек необходимо определить параметры функций распределения векторов ошибок dj — среднего значения и — среднеквадратического отклонения вектора, исходя из 61 j, 6Qj, принадлежащих точке j.
Коэффициент ошибок модуляции (MER) указывает на ухудшение сигнала на входе приемника и позволяет оценить способность этого приемника правильно декодировать сигнал. Собирается информация о N парах координат (Ij, Qj) принимаемых символов. Идеальное положение выбранного символа (центр блока принятия решений) представляется вектором (7j, Qj). Вектор (6Ij,6Qj) определяется как расстояние между идеальным и реальным положением принимаемого символа. Другими словами, принимаемый вектор (Ij^Qj) является суммой идеального вектора (7), Qj) и вектора ошибок (61 j, 6Qj).
Сумма квадратов идеального вектора символов делится на сумму квадратов вектора ошибок символов. Результат, выраженный отношением мощностей в децибелах, определяется как коэффициент ошибок модуляции (MER):
(22.3)
(22.4)
(22.5)
где Smax — максимальное значение модуля векторов (I^Qi), i =
Эти параметры однозначно связаны:
MERV х EVM.
(22.6)
Таким образом, достаточно измерить один из них, однако MER ближе к традиционному отношению сигнал/помеха (SNR), хотя учитывает большее число мешающих факторов, а при наличии в канале только нормальных шумов совпадает с SNR. Измерения этих параметров должны проводиться как в передатчике, так и в приемнике.
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
593
Рис. 22.8. Определение вектора выходной ошибки (TEV)
Смещение центров пятен (STE) совокупности принимаемых точек от положения идеальной символьной точки снижает запас системы по шуму и указывает на существование вида искажений, например, остатка несущей, разбаланса амплитуд, квадратурной ошибки, нелинейных искажений. Параметр STE дает индикацию общих искажений необработанных данных, принимаемых системой.
Для каждой из М символьных точек рассчитывается расстояние di между теоретической символьной точкой и точкой, соответствующей середине пятна от этой частной символьной точки. Величина (с/г) называется вектором ошибки объекта (TEV) и показана на рис. 22.8.
По значениям М векторов ошибок объектов рассчитываются их среднее значение и стандартное отклонение (нормализованное к Srms, определяемое как среднеквадратичное значение координат точек в диаграмме), называемые как системная средняя выходная ошибка (STEM), и системная девиация выходной ошибки (STED):
STEM =
STED =
м
^|di|2 - STEM2.
г = 1
(22.7)
(22.8)
(22.9)

Измерение джиттера. Существенный вклад в ошибки TS вносит джиттер. Джиттер может прибавлять ошибки в любой точке передачи TS, как и при любой передаче данных. В TS джиттер происходит на битовом уровне и на уровне пакетов.
Джиттер оказывает прямой эффект на видео и звуковое качество, потому что декодирующее устройство использует программные эталонные часы (PCR), чтобы запускать телевизионный и звуковой ЦАП. Как правило, отклонение скоростей от номинала не должно превышать 0,5 нс. Джиттер, который превышает 0,5 нс, вызовет размытие видео и искажения звука. Джиттер проявляется в битовых ошибках TS.
594
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Для контроля качества работы ЦТВ разработан ряд приборов: генераторы и анализаторы транспортных потоков, мониторы сигналов, векторные анализаторы ZQ-сигналов, широкополосные осциллографы, анализаторы спектра и т.д.
Для контроля кодеров и декодеров необходимо использовать MPEG-2 анализаторы и генераторы TS. Анализаторы захватывают пакеты от выхода кодера и проверяют их на совместимость с MPEG-2 стандартом. Анализаторы также декодируют TS MPEG-2 в их компоненты — видеопрограммы, аудиопрограммы и информацию, которая сообщает декодерам, как декодировать TS и правильно объединить видео- и аудиопрограммы. Анализаторы могут измерять параметры TS, и они помогают решить, сколько буферной памяти необходимо декодирующему устройству.
В системе MPEG-2 генераторы TS могут записывать и воспроизводить MPEG-2 кодированное видео. Эти инструменты можно использовать, чтобы проверить модуляторы и MPEG-2 декодирующие устройства (см. рис. 22.8). Тестируемые потоки могут приходить из кодеров или мультиплексоров.
Для измерения коэффициента битовых ошибок (BER) в TS можно использовать MPEG-2 анализаторы. На битовом уровне джиттер контролируется осциллографом с использованием глазковой диаграммы [102]. Если раскрытие глазковой диаграммы слишком малое или исчезает, то декодирующее устройство не будет восстанавливать закодированную программу. Изделия и программы должны быть с BER на уровнях ниже того, при котором зрители могут заметить искажения. Даже одна битовая ошибка в ТВ кадре — слишком много. На уровне пакетов джиттер относится к временным отличиям между временами поступления пакетов. MPEG-2 декодирующее устройство содержит буферы, чтобы захватывать поступающие пакеты перед выходом ими с постоянной скоростью передачи бита, так что декодирующее устройство может обрабатывать их. MPEG-2 анализаторы могут проверить буферы, чтобы гарантировать, что декодирующее устройство имеет достаточное пространство памяти. Декодирующие устройства должны иметь минимум 512 байтов для хранения поступающих TS.
Для контроля цифровых систем передачи используются также MPEG-2 мониторы. Их отличием от анализаторов является возможность проверки для MPEG-2 совместимости для множества TS. MPEG-2 мониторы проверяют качество TS после того, как они передаются через локальную сеть ТВ студии, региональную сеть, сеть общего пользования или линию микроволновой связи к ТВ передатчику.
После того как TS становится модулированным радиочастотным, это — модулированный аналоговый сигнал, эффективно передающий биты. Модуляция и демодуляция сигнала ЦТВ повышают вероятность увеличения числа ошибок данных.
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
595
Рис. 22.9. 8-VSB (а) и 64-QAM (6) диаграммы сигнального созвездия
В отличие от аналогового ТВ, где сигнал постепенно ухудшается, в ЦТВ сигнал либо принимается, либо не принимается. Под последним следует понимать, что при достижении сигналом определенного барьера он содержит слишком много битовых ошибок для приемного декодера, чтобы восстановить программу. Это происходит, когда принимаемый TS содержит более, чем 10 битовых ошибок в пакете MPEG-2.
Модулированный сигнал должен вписаться в ширину полосы 6 МГц, иначе сигнал может интерферировать с сигналами в соседних каналах. Монитор сигнала ЦТВ или векторный анализатор сигналов могут измерить сигнал, чтобы удостовериться, что он вписывается в маску.
Высокочастотный модулированный ЦТВ сигнал также необходимо контролировать. Полезным измерением является анализ диаграммы сигнального созвездия (рис. 22.9). Эталонный 8-VSB сигнал напоминает восемь вертикальных колонок точек, в которых каждая точка соответствует присутствию символа, и восемь вертикальных и горизонтальных колонок для эталонного 64-QAM сигнала. Если колонки расширяются, то сигнал содержит шум, превышающий норму, и искажения. Кривизна в строках точек указывает на фазовый шум.
Цифровые телевизионные сигнальные мониторы могут оценивать модуль вектора ошибок (EVM), который характеризует качество вещательного сигнала. Когда увеличиваются результаты измерения EVM, расстояние от идеального положения символа до барьера уменьшается, и зрители в некоторых зонах слабого приема могут потерять DTV прием. Как правило, пытаются поддерживать EVM на уровне 7 % или меньше.
22.3.3.	Контроль качества изображений в цифровых телевизионных системах
Очевидно, что для контроля качества работы ЦТВ системы недостаточно анализа протоколов цифрового потока и измерения параметров модулированного сигнала. Основным критерием испытаний ЦТВ систем является качество восстановленного после декодирования изображения, оценка которого используется для проверки работоспособности системы сравнения кодеков, выбора эффективных
596
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 22.10. Оценка качества изображения с использованием сравнения эталонной и испытуемой видеопоследовательностей
алгоритмов кодирования и декодирования видеоинформации и решения других задач.
Для оценки качества изображений в ЦТВ системах используют субъективные экспертизы. Существующие методы субъективной оценки качества основаны на визуальном сравнении изображений, соответствующих видеосигналам на входе и выходе проверяемой системы или определении качества изображений, отвечающего сигналу на выходе системы. Такие экспертизы используют в качестве испытательных неподвижные изображения, которые слабо характеризуют качество сжатого изображения. Для субъективной оценки качества изображений в современных ЦТВ системах может применяться процедура с одним стимулом и непрерывной оценкой качества. Эта процедура, в которой качество непрерывно оценивается за длительный период: от 10 до 20 минут. Данные берутся на непрерывной шкале каждые несколько секунд. Оценкой является распределение количества времени, которое занимает частная оценка. Этот метод хорошо согласуется с изменением во времени качества сегодняшних цифровых систем, однако при использовании этого метода содержание программы сильно влияет на оценку качества изображения.
Такие экспертизы требуют большого объема испытаний и значительных затрат времени. Это затрудняет практическое применение стандартных методов в процессе эксплуатации систем и в аналогичных случаях, когда требуется достаточно быстрая оценка качества ТВ изображений, в том числе в реальном времени.
Длительность процесса оценки и объем испытаний заметно уменьшаются, если перейти к объективным методам определения качества изображения. Они основываются на инструментальном измерении изменений параметров цифрового видеосигнала, вносимых системой, включая выпадение отдельных его фрагментов и появление новых компонентов в виде помех [105].
Существуют следующие системы для объективной оценки и измерений качества изображений в цифровом телевидении.
1.	Системы с применением источника эталонного сигнала, соответствующего видеопоследовательности до ее кодирования (рис. 22.10). В этих системах, отличающихся высокой точностью результатов измерений, используется сравнение эталонного сигнала с сигналом на выходе проверяемого участка тракта или всего тракта. Очевидным методом сравнения сигналов является вычисление
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
597
Видеокомпрессия, системы записи или передачи
Рис. 22.11. Оценка качества с использованием сравнения параметров на входе и выходе проверяемого тракта
разности между ними без какой-либо фильтрации или обработки. Если разность нулевая, то изображения идентичны. Когда сигналы отличаются, может быть рассчитана среднеквадратическая ошибка. Другим способом выражать отличие сигналов является вычисление отношения сигнал/шум, при котором рассчитывается логарифм отношения квадрата максимального сигнала, к среднеквадратической ошибке. Однако хорошо известно, что такой критерий может давать ошибочные показания. Например, рассмотрим сравнение двух типов искажений: один — добавление шумов, которые вызывают изменение пяти уровней квантования, и второй добавление несколько меньшего числа блоковых ошибок, которые вызывают изменение двух уровней квантования. Последнее искажение имеют меньшее значение среднеквадратической ошибки, однако субъективно воспринимается значительно хуже1.
Из-за этого был предложен! ряд методов улучшения оценки качества, основанных на разности сигналов, например, метод моделирования зрительной системы человека. Базирующийся на этом методе качественный показатель изображения был разработан для автоматической и точной оценки воспринимаемой величины различия между эталонной и испытуемой последовательностью.
Общим недостатком этих и подобных им методов является то, что результаты зависят от выбора эталонных видеопоследовательностей. Поэтому для их использования необходимо иметь набор стандартизованных видеопоследовательностей. Кроме того, необходимо очень точно совмещать сравниваемые последовательности.
Такие системы не предназначены для работы в реальном времени и их используют, например, для исследований качества ТВ изображений в цифровых кодеках или системе в целом, включая устройства для кодирования, передачи и декодирования сигналов.
2.	Системы, основанные на сравнении параметров эталонного и проверяемого цифровых сигналов (рис. 22.11). Эти системы имеют меньшую точность, работают в реальном времени и могут применяться для проверки готовности службы для гарантии прозрачности процесса передачи цифровых сигналов, а также при контроле цифровых сетей передач. Очевидным преимуществом этого метода по сравнению с предыдущим является то, что измерительная информация о ка-
598
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 22.12. Оценка качества изображения по выходной видеопоследовательности
честве эталонной видеопоследовательности занимает небольшой объем. Ее можно легко передать в пункт измерений вместе с цифровым сигналом программы ТВ вещания или каким-либо другим способом, где она сравнивается с аналогичной информацией, соответствующей проверяемому сигналу. В этом случае не требуется иметь в пункте измерений прямой доступ к эталонной видеопоследовательности.
3.	Системы, основанные на анализе лишь проверяемого цифрового сигнала (рис. 22.12). Так как сведения об эталонной видеопоследовательности в пункте приема отсутствуют, то результаты измерений отражают ухудшение качества изображения, как в процессе цифрового кодирования, так и при передаче по каналу. Разделить эти виды искажений практически невозможно. Однако такие методы широко применяются для проверки готовности службы.
Методы объективной оценки качества ТВ изображений используются в следующих цифровых системах:
1.	Испытания кодеков и устройств для статистического мультиплексирования цифровых сигналов многопрограммного ТВ вещания.
2.	Контроль ЦТВ сетей в перерывах между передачами и в процессе передачи.
3.	Контроль эталонных видеопоследовательностей до их кодирования.
4.	Непрерывный контроль и прогнозирование качества изображений в процессе вещания в реальном масштабе времени.
22.3.4. Испытательные таблицы для контроля качества работы ЦТВ
С появлением цифровых технологий использовавшиеся ранее в аналоговом ТВ таблицы устарели, и возникла необходимость в разработке новых испытательных таблиц.
Основная проблема, связанная с оценкой качества ЦТВ, заключается в новых принципах цифровой обработки динамических изображений: цифровое кодирование очень хорошо передает статические изображения и хуже — изображения, быстро меняющиеся во времени.
Поэтому попытки определить качество телевизионных коде-ров/декодеров различных фирм с помощью статических таблиц, содержащих меры различного пространственного разрешения, обычно не приводят к положительному результату — разрешение принимаемого сигнале! оказывается высоким практически независимо от скорости выходного потока кодера. С другой стороны, просмотр реального
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
599
видеоматериала показывает, что кодеры различных фирм отличаются по качеству. При этом наблюдаемые шумы и искажения носят новый характер и не выражаются в старых аналоговых терминах, таких как разрешение в «числе линий», количество воспроизводимых градаций яркости и др.
Следует отметить, что возможны два основных вида таблиц: динамические последовательности MPEG-2 [106] и испытательные последовательности для проверки кодеров [107]. Основное отличие таблиц, предварительно закодированных MPEG-2 тестовыми последовательностями, в том, что они используются для оценки качества канала передачи после кодера, для которого характерна некоторая вероятность потери данных. Назначение этих таблиц — определить, насколько хорошо канал передачи подходит для цифрового вещания в стандарте MPEG-2. Поэтому данные таблицы не могут характеризовать потери качества на этапе цифрового кодирования и связанных с ним аналоговых искажений. Основное назначение вторых таблиц — это прежде всего оценка качества и визуальных искажений, вносимых MPEG-2 кодером телевизионного сигнала.
К элементам испытательных таблиц для анализа специфических искажений изображений при цифровом кодировании элементов необходимо отнести следующие: области с плавными градациями яркости (так называемые «волны»), движущиеся в разных направлениях и с разными скоростями; движущиеся участки с резкими границами; цветные вращающиеся кольца с постоянной яркостью и изменением цветности.
Характерной чертой двумерных базисных функций ДКП является то, что значение функции на границе блока отлично от нуля и тем больше, чем меньше номер функции. Искажения на границе приводят к блокипг-эффекту. Отсюда следует, что для анализа блокинг-эффекта больше подходят сигналы содержащие, главным образом, низкочастотные компоненты, какими являются плавные волны. Таким образом, эти части таблиц служат для анализа блокинг-эффекта и связанных с ним вторичных искажений (ложные границы). Существенно также, что скорости движения волн должны различаться, иметь целочисленные, с точностью до полпиксела, и действительные значения в различных частях таблицы. Такой выбор позволяет оценить максимальное значение векторов движения, обрабатываемых кодером, определить, проводится ли кодером MPEG-2 компенсация движения с точностью до пиксела или полпиксела, а также насколько хорошо кодер может обрабатывать движение, неприводимое к плоскопараллельному смещению на вектор движения, выражающийся в пикселах/полупикселах.
Особенную сложность для кодирования представляют объекты, которые имеют резкие границы и наклонную ориентацию по отношению к внешней рамке испытательных таблиц. В этом случае спектр ДКП блоков, на которые попадают наклонные границы объектов.
600
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
содержит ненулевые компоненты, как по горизонтальному, так и по вертикальному направлению. Поскольку ДКП сохраняет энергию сигнала (сумма квадратов яркостей пикселов в блоке равна сумме квадратов коэффициентов ДКП), то спектр ДКП будет содержать большое число гармоник небольшой амплитуды, и, следовательно, относительные ошибки квантования окажутся заметными уже при небольших коэффициентах квантования. Искажения в кодировании рассмотренных элементов таблиц будут проявляться как окантовки на границах, искажения типа ступеньки, размытие изображения. Возникшие искажения могут накапливаться вслед за движущимся объектом в виде эффекта «комаров».
Если в алгоритм кодера MPEG-2 заложен поиск векторов движения макроблоков только по яркостному компоненту или критерий оценки максимально допустимой ошибки кодирования производится только по сигналу яркости, то на цветных вращающихся кольцах с постоянной яркостью и изменением цветности возможны цветовые искажения в виде размытия цвета, неправильных цветов макроблоков, эффекта «привидений».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Урвалов В.А. Очерки истории телевидения. — М.: Наука, 1990. - 215 с.
2.	Шмаков П.В. Введение в космическое телевидение: Учебное пособие. — Л.: ЛЭИС, 1971. - - 91 с.
3.	Брацлавец П.Ф., Росселевич И.А., Хромов Л.И. Космическое телевидение. — М.: Связь, 1973. — 248 с.
4.	Новаковский С.В. Новая эра ТВ вещания // Электросвязь. 1997. № 10. С. 20-21.
5.	Кривошеев М.И. Новый подход к ТВ вещанию // Электросвязь. 1997. № 12. С. 10-16.
6.	Горохов П.К. Розинг Б.Л.	основоположник электронного
телевидения. — М.: Наука, 1964. - 120 с.
7.	Домбругов Р.М. Телевидение. — Киев: Вища Школа, 1988. — 213 с.
8.	Телевидение: Учебник для вузов / Под ред. В.Е. Джаконии. — М.: Радио и связь. 1997. — 640 с.
9.	Самойлов В.Ф., Хромой Б.П. Телевидение: Учебник для вузов. — М.: Связь, 1975. -- 400 с.
10.	Кулаков П.Н., ГЦелованов Л.Н., Орловский Е.Л. и др. Воспроизведение полутонов в крупных, средних и мелких деталях телевизионного изображения // Техника кино и телевидения. 1965. № 12.
11.	Петропавловский В.А., Постникова Л.Н., Хесин А.Я;, Штейнберг А.Л. Передающие телевизионные камеры. — М.: Радио и связь, 1988. — 304 с.
12.	ГОСТ 7845-92. Система вещательного телевидения. Основные параметры. Методы измерений.
13.	Певзнер Б.М. Качество цветных телевизионных изображений. — М.: Радио и связь, 1988. — 224 с.
14.	Кривошеев М.И. Цифровое телевидение: Учеб, пособие. — М.: ВЗЭИС, 1984. — 95 с.
15.	Цуккерман И.И., Кац Б.М., Лебедев Д.С. и др. Цифровое кодирование телевизионных изображений. — М.: Радио и связь, 1981. — 240 с.
16.	Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений / Под ред. Ю.Б. Зубарева и В.П. Дворковича. — М., 1997. — 255 с.
17.	Ряхин А. Видеостандарт MPEG // Журнал «625». 1996. № 6.
602
Список литературы
18.	Гласман К.Ф. Видеокомпрессия // Журнал «625». 1997. № 7.
19.	Быков Р.Б. Теоретические основы телевидения: Учебник для вузов по направлению «Радиотехника». — СПб.: Лань, 1998. — 288 с.
20.	Тимофеев Б.С. Цифровое телевидение: Учеб, пособие. — СПб.: СПбГУАП, 1998. — 49 с.
21.	Смирнов А.В. Основы цифрового телевидения: Учебное пособие. — М.: Горячая линия-Телеком, 2001. — 224 с.
22.	Харатишвили Н.Г., Чхеидзе И.М., Ронсен Д., Инджия Ф.И. Пирамидальное кодирование изображений. — М.: Радио и связь, 1996. — 191 с.
23.	Пресс Ф.П. Формирование видеосигнала на приборах с зарядной связью. — М.: Радио и связь, 1981. — 136 с.
24.	Ангафоров А.П. Цветные кинескопы. — М.: Радио и связь, 1986. — 128 с.
25.	Самохин В., Ивин Л. Мультимедийные проекторы // Журнал «625». 2000. № 2.
26.	Техника цветного телевидения / Под ред. С.В. Новаковско-го. — М.: Связь, 1976. — 496 с.
27.	Баскир И.Н. Бестрансформаторные транзисторные схемы кадровой развертки. — М.: Связь, 1977. — 104 с.
28.	Новаковский С.В. Цвет в цветном телевидении. — М.: Радио и связь, 1988. — 288 с.
29.	Новаковский С.В. Стандартные системы цветного телевидения. — М.: Связь, 1976. — 267 с.
30.	Хохлов Б.Н. Декодирующие устройства цветных телевизоров. — М.: Радио и связь, 1998. — 513 с.
31.	Пескин А.Е., Конов А.А. Многосистемный декодер на микросхемах TDA 4650, TDA 4670, TDA 4680 // Зарубежная радиоэлектроника. 1993. № 3. С. 76-78.
32.	Гласман К.Ф. MPEG — это просто! // Журнал «625». 2000. № 3. С. 5.
33.	Reimers U. Digit ale Fernsehtechnik. Datenkompression und Ubertragung fur DVB. 2. Aufl. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1997.
34.	Гласман К.Ф. Цифровая видеотехника: кодирование, обнаруживающее и исправляющее ошибки // Журнал «625». 1997. № 8.
35.	Мамаев Н.С., Мамаев Ю.Н., Теряев Б.Г. Цифровое телевидение. М.: Горячая линия-Телеком, 2001.
36.	Кантор Л.Я., Соколов А.В., Кривошеев М.И. и др. Принимаем непосредственно из космоса: Под общ. ред. А.В. Гороховского и А.В. Соколова. — М.: ЗАО Журнал «Радио», 1998.
37.	Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки: Пер. с англ. — М.: Мир, 1976.
38.	Freyer U. DVB. Digitales Fernsehen. — Berlin: Verlag Technik, 1999.
39.	Гласман К.Ф. Методы передачи данных в цифровом телевидении. Стандарт цифрового наземного телевидения DVB-Т // Журнал «625». 1999. № 9. С. 72.
Список литературы
603
40.	Гласман К.Ф. Методы передачи данных в цифровом телевидении. Стандарт цифрового телевидения ATSC // Журнал «625». 1999. № 7. С. 68.
41.	Варгаузин В. А. Принципы цифрового телевидения стандарта ATSC // Теле-Спутник. 1999. № 9. С. 53-58.
42.	Гласман К.Ф. Методы передачи данных в цифровом телевидении. Система цифрового наземного телевизионного вещания ISDB-Т // Журнал «625». 2000. № 2. С. 78.
43.	Mausl R., Fernsehtechnik. — Heidelberg : Hiitig, 1991.
44.	Stenger L., Die europaische Alternative // Funkschau. 1988. H. 16. S. 26-28.
45.	Кривошеев М.И., Федунин В.Г. Интерактивное телевидение. — М.: Радио и связь, 2000.
46.	Гоголь А.А., Джакония В.Е., Украинский О.В. Новые возможности систем «сотового» телевидения // TclcMultiMedia. 2000. № 1.
47.	Harder К. Digitales Fcrnsehen und Multimedia // Fcrnseh- und Kinotechnik. 1996. № 3.
48.	Егоров С.И., Типикин А.П. Вещание цифровых данных по аналоговым телевизионным каналам: от телетекста до IP-пакетов // Телекоммуникации. 2000. № 1. С. 26-40.
49.	ITU-R Recommendation ВТ.470-5. Conventional television systems.
50.	ГОСТ 50861-96. Система телетекст. Основные параметры и методы измерений.
51.	ITU-R Recommendation ВТ.653-2 (11/93). Teletext systems.
52.	Барабаш П.А., Воробьев С.П. и др. Мультисервисные сети кабельного телевидения. — СПб.: Наука, 2000.
53.	Лопато С., Цифровое телевидение. Абонентский интерактивный терминал // Журнал «625». 2002. К2 1. С. 52.
54.	ISO/IEC JTC1/SC29/WG11. Coding of moving pictures and audio. № 2201. MPEG-4 Systems. Final Committee Draft of International Standard. 15 May 1998.
55.	Лавен Ф. Интернет и интерактивное телевидение // Техника кино и телевидения. 2002. № 1. С. 14.
56.	Иванов А. Интерактивное телевидение // Мир Интернет. 2001. № 1. С. 18.
57.	Батист И.И., Новицкий С.П. Современные системы телевидения. Ч. I. Телевизионный центр. Междугородная передача ТВ сигналов. Системы спутникового ТВ вещания. Курс лекций. — Новосибирск: Изд-во Новосибирского техническ. университета, 1998 г.
58.	Татарников О. Виртуальные студии сегодня // Журнал «625». 2001. № 8. С. 5.
59.	Однолько В.В. Новая камерная система вещательного телевидения // Техника кино и телевидения. 1983. № 3. С. 4-11.
60.	Оптические головки передающих камер цветного цветного телевидения / Под ред. С.В. Новаковского. — М.: Связь, 1976. — 496 с.
604
Список литературы
61.	Однолько В.В., Ожигин А.Ф., Харитонов Ю.А. Портативные камеры цветного телевидения. — М.: Радио и связь, 1984. — 104 с.
62.	Миленин Н.К. Современные камеры цветного телевидения на матрицах ПЗС // Техника кино и телевидения. 1983. № 1.
63.	ГОСТ 28324. Сети распределительные приемных систем ТВ и радиовещания.
64.	Westerkamp D. Microwave Multipoint Distribution System (MMDS) // Fernseh und Kinotechnik. 1997. № 5. S. 215.
65.	Брауде Г.В. Коррекция телевизионных и импульсных сигналов: Сб. статей. — М.: Связь, 1967. — 246 с.
66.	Финкельштейн М.И. Гребенчатые фильтры. — М.: Сов. радио, 1969. — 320 с.
67.	Адаптивные методы обработки изображений. — М.: Наука, 1988. — 252 с.
68.	Цифровое телевидение / Под ред. М.И. Кривошеева. — М.: Связь, 1980. — 264 с.
69.	Шерайзин С.М. Адаптивная коррекция и фильтрация телевизионного сигнала. — М.: Радио и связь, 1987. — 90 с.
70.	Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника. — М.: Радио и связь, 1990. — 528 с.
71.	Штейнберг В. Преобразование стандартов // Журнал «625». 2001. № 5.
72.	Кириллов В.И., Ткаченко А.П. Телевидение и передача изображений. — Минск: Вышэйшая Школа, 1988. — 318 с.
73.	Ельяшевич С.А., Пескин А.Е. Телевизоры ЗУСЦТ, 4УСЦТ, 5УСЦТ. — М.: Символ-Р, 1993. — 280 с.
74.	Проектирование и техническая эксплуатация телевизионной аппаратуры: Учеб, пособие./ Под ред. С.В. Новаковского. — М.: Радио и связь, 1994. — 348 с.
75.	Хохлов Б.Н. Декодирующие устройства цветных телевизоров. — М.: Радио и связь, 1992. — 368 с.
76.	Пескин А.Е., Войцеховский Д.В. Современные зарубежные телевизоры. — М.: Радио и связь, 1999. — 228 с.
77.	Техника магнитной записи. 2-е изд. / Под ред. В.И. Пархоменко. — М.: Энергия, 1978. — 398 с.
78.	Гончаров А.В., Харитонов М.И. Канал изображения видеомагнитофона. 2-е изд. — М.: Радио и связь, 1987. — 261 с.
79.	Кинотелевизионная техника / М.В. Антипин, Ю.С. Комаровский, Л.Л. Полосин, Д.А. Таранец. — М.: Искусство, 1984. — 288 с.
80.	Вайда 3. Современная видеозапись: Пер. с вен г. М.: Радио и связь, 1987. — 171 с.
81.	Гитлиц М.В., Лишин Л.Г. Видеомагнитофоны и их применение. — М.: Связь, 1980. — 168 с.
82.	Бытовая радиоэлектронная техника. / Под ред. А.П. Ткаченко. — Минск: Беларуская энцыклапедыя, 1995. — 825 с.
83.	Колесниченко О.В., Шишигин И.В. Бытовые видеомагнитофоны формата VHS. — СПб.: 1994. — 145 с.
Список литературы
605
84.	Боухьюз Г., Браат Дж., Хейсер А. и др. Оптические дисковые сиситемы. Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1988. — 344 с.
85.	Василевский Ю.А. Империя DVD. — М.: Леруша, 1999. — 79 с.
86.	Василевский Ю.А. Цифровой многопрофильный диск DVD — основные технические характеристики // Техника кино и телевидения. 1998. № 2. С. 9.
87.	Василевский Ю.А. HD-DVD — новая генерация цифровых многопрофильных дисков // Техника кино и телевидения. 1998. № 9. С. 19.
88.	Прием телевидения и радиовещания со спутников / Д.Ю. Бэм, М.Е. Ильченко и др. — М.: Радио и связь, 1993. -- 216 с.
89.	Левченко В.Н. Спутниковое телевидение. — СПб.: BHV-C.-Петербург, 2000. — 288 с.
90.	Системы спутниковой связи: Учеб, пособие для вузов / А.М. Бонч-Бруевич, В.Л. Баков, Л.Я. Кантор и др. / Под ред. Л.Я. Кантора — М.: Радио и связь, 1992. — 224 с.
91.	Спутниковое телевидение. Ношпе методы передачи / Н.Т. Ха-ратишвили, Э.И. Кумыш и др. / Под ред. II.Т. Харатишвили. — М.: Радио и связь, 1993. — 244 с.
92.	Кабельное телевидение / Под ред. В.Б. Битовского. — М.: Радио и связь, 1994. — 200 с.
93.	Телевизионная техника: Справочник / Под общей ред. Ю.Б. Зубарева и Г.Л. Глориозова. М.: Радио и связь, 1994. — 312 с.
94.	Телеспутник. Системы кабельного телевидения. Справочник. 1999-2000.
95.	Реушкин Н.А. Системы коллективного телевизионного приема. — М.: Радио и связь, 1992. — 168 с.
96.	Шмаков П.В., Колин К.Т., Джакония В.Е. Стереотелевидение. — М.: Связь, 1968. — 207 с.
97.	Джакония В.Е. Вещательные системы стереоцветного телевидения: Учеб, пособие. — Л.: Изд. ЛЭИС, 1979. — 51 с.
98.	Формирование сигналов вещательной системы объемного телевидения / В.Е. Джакония, К.Т. Колин и др. // Техника кино и телевидения. 1988. № 12.
99.	Мамчев Г.В. Теория и проектирование стереотелевизионных устройств. — Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 1999.
100.	Копылов П.М., Тачков А.Н. Телевидение и голография. — М.: Связь, 1976. — 166 с.
101.	Грязин Г.Н. Системы прикладного телевидения: Учебн. пособие для вузов. — СПб.: Политехника, 2000. — 277 с.
102.	Кривошеев М.И. Основы телевизионных измерений. — М.: Радио и связь, 1989. — 608 с.
103.	Виленчик Л.С. Измерения в цифровом телевидении // Труды НИИР. 1985. № 1. 608 с.
606
Список литературы
104.	Кривошеев М.И., ’Мкртумов А.С., Федунин В.Г. Методы оценки качества изображения в цифровом телевидении // Материалы международного конгресса «Прогресс технологий телерадиовещания». Тезисы докладов HAT, Москва, 1-3 ноября 1999 г. «TRBE-99», М., 4-6 ноября 1999. — С. 189-190.
105.	Devin В., Walland Р. Test Card «М» — Bitstreams for DVB Test and Measurment. — Snell&Wilcox Ltd., UK.
106.	Дворкович А.В., Дворкович В.П., Макаров Д.Г., Новинский Н.Б., Иртюга В.А. Компьютерная методология аналогового и цифрового телевизионного вещания // Материалы международного конгресса «Прогресс технологий телерадиовещания». Тезисы докладов HAT, Москва, 1-3 ноября 1999 г. «TRBE-99», М., 4-6 ноября 1999. — С. 193-199.
107.	Gogol A., Zaharov К., Mishnenkov I., Cherny V. Methods of Television Picture Quality Surveillance. — TCSET’2000, February 14-19, 2000, Lviv, Ukraine.su «Lvivska polytechnika».
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Автотрекинг 486
Баланс белого 81
Базис глазной 45
Вектор движения 104
-	ошибки объекта 593
Видеостриминг 343
Видикон 117
Время релаксации 128
Вспышка защитная цветовая 283
Выпадение сигнала 479
Гамма-корректор 43, 235
Глубина резкости 32
Градации яркости 41
Девиация поднесущей частоты 266
Деквантование 99
Дельта-кинескоп 144
Дескремблер 499
Детектор движения 388
Диаграмма цветности 219
Диафрагмирование 32
Доминанта 44
Дорожка шумовая 495
Заворот изображения 54
Запись наклонно-строчная 465
-	полутораголовочная 468
-	поперечно-строчная 465
Избыточность визуальная 91
-	внутрикадровая 95
-	временная 95
~	меж кадровая 95
-	пространственная 95
-	статическая 91
-	- структурная 91
Излучение инфракрасное 208
монохроматическое 204
ультрафиолетовое 208
Импульс уравнивающий 193
-	гасящий 30
Инерционность 49
-	зрения 22
-	кинескопа 139
Интервал защитный 318
-	дискретизации 84
Интерполяция движения 410 строк 408
Интерференция апертурная 52 межсимвольная 318
Искажение апертурное геометрическое 32, 63, 173, 180 - дифференциальное 261 - дифференциально-фазовое 262 - комбинационное 484 - перспективы 33 - перекрестное 255 - полутоновое 65
Кадр опорный 103
Канал камерный 349
-	квазибезошибочный 92
-	специальный 361
Катодолюминесценция 139
Кинескоп компланарный 144
-	масочный 144
Код внешний 305
-	внутренний 305
-	дуобинарный 334
-	Рида-Соломона 323, 591
-	Хаффмана 100
Кодирование 34, 86
-	источника 305
-	канальное 305
-	помехоустойчивое 92, 499
-	треллисное (решетчатое) 323
-	энтропийное 100
608
Предметный указатель
Компандер 536
Компенсация движения 104
Компрессия белого 403
-	сигнала 9
Контраст пороговый 40
Конус цветов 212
Координата удельная 215
Корректор апертурный 397
-	перекрестных искажений 275
-	с амплитудно-зависимым делителем 402
Коррекция апертурная 389
-	Брауде 374
Коэффициент компрессии 266
-	Кэлла 56
-	отражения 207
-	поглощения 207
-	пропускания 207
-	удельный цветовой 215
-	цветокоррекции 354
Кривая относительной видности 26
Кроссовер 138
Линии равных площадей 364
Локус спектральный 212, 219
Лупа градационная 399
Люминофор 139
Метод коммутации фазы 279
-	маскирования ошибок 499
-	промежуточных строк 575
Модуляция амплитудная 309
-	балансная 247, 310
-	импульсно-кодовая 87
-	многопозиционная 308
-	квадратурная амплитудная 313
-	фазовая 311
Мощность изотропно-излучаемая 528
-	разрывная 161
Мультивещание 344
Насыщенность 204
Острота глубинного зрения 34
Ошибка пакетная 306
предсказания 101
Пакет транспортный 303
Параллакс 566
Пара метаметрическая 205
-	оптически связанная 405
Параллакс линейный 46
-	угловой 46
Перемежение 92
-	спектров 253
Перспектива 33
Пластика прибора 563
Плотность спектральная 206
Плюмбикон 123
Поляризация света 148
Порог глубинного зрения 46
-	квантования 86
-	световой чувствительности 40
Поток лучистый 206
-	транспортный 303
Предыскажение 268
Преобразование временное 113
-	стандартов 404
-	Фурье 319
Преобразователь аналого-цифровой 87
-	формата кадров 413
-	цифро-аналоговый 87
Прожектор антикометный 126
-	пентодный 137
-	электронный 137
Пространство цветовое 211
Пятно желтое 36
Развертка изображения 23, 47
-	- кадровая 178
-	линейно-строчная 48
-	обратный ход 48
-	построчная 60
-	прямой ход 48
-	чересстрочная 59
Разрешающая способность 31
Рандомизация 323
Расстановка частот 461
Растр 48
Растяжка черного 403
Резкость 81
Сведение лучей 80
Светоотдача 141
Сдвиг гармоник четвертьстрочный 297
Сигнал опознавания 277
-	первичных цветов передачи 242
-	синхронизации приемника 49, 199
-	- централизованной 359
-	цветоразностный 240
-	цветовой синхронизации 249
-	яркости 30, 239
-	яркостной 29
Синхронизатор несинхронных источников 360
-	цифровой телевизионный 201
Предметный указатель
609
Синхронизация инерционная 195
-	кадровая цветовая 288
-	непосредственная 195
-	принудительная 29
-	строчная цветовая 288
-	частотная 276
Система телевидения растровая 594
Сканирование 100
Склон Найквиста 414
Скорость цифрового потока 87
Скремблирование 92, 499
Смешение бинокулярное 209
Созвездие 313
Спаривание строк 192
Спектр видеосигнала 54
Сплиттрансформатор 427
Стереопара 564
Стриминг 343
Структура дискретизации ортогональная 90
Телевинение интерактивное 336
-	сотовое 361
Телетекст 339
Теорема Котельникова-Найквиста 85
Тон цветовой 204
Точка схода 33
Трансдуктор 174
Тремор 34
Треугольник цветовой 213
-	первичных цветов 242
Тюнер
Угол зрения 35
-	конвергенции 46
Унивещание 343
Уровень квантования 86
Устройство светоклапанное 147
Факел 290
Фильтр канонический 385
-	- рекурсивный 111
-	цифровой 111
Фокус 539
Фон условный 350
Форма видеосигнала 50
Фотоэффект 27, 117
Характеристика апертурная 52
-	апертурно-импульсная частотная 53
-	переходная 383
-	световая 116
-	спектральная 116, 237
Цвет единичный 212
-	нереальный 212
-	основной 209
-	пурпурный 212
Цветность 20, 205
Цветокоррекция матричная 233
Частота дискретизации 84
Четкость 31, 80
-	цветовая 81
Чистота цвета 205
Шкала квантования 86
Шум квантования 87
Электролюминофор 139
Элемент развертывающий 23
Эффект пороговый 274, 289
Яркость 20, 44
-	адаптации 38
AFD-декодер 325
ASK 307
ATSC 321
BPSK 312
COFDM 320
DVB 320
FSK 307
MPEG 341
OFDM 316
PSK 307
QPSK 312
RAID-массив 493
VSB-AM 312
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие........................................... 3
К читателю............................................ 5
Введение.............................................. 6
ЧАСТЬ I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ................. 19
Глава 1. Основные принципы телевидения..................... 19
1.1.	Поэлементные анализ и синтез оптических изображений. 19
1.2.	Преобразование оптического изображения в электрический сигнал......................................... 26
1.3.	Обобщенная структурная схема телевизионной системы .	28
Глава 2. Характеристики оптического и телевизионного изображений................................................ 30
2.1.	Характеристики оптического изображения.............. 30
2.2.	Зрительная система. Основные параметры телевизионного изображения....................................   33
2.3.	Особенности восприятия цвета и объема............... 43
Глава 3. Форма и спектр видеосигнала....................... 47
3.1.	Принципы построчной (прогрессивной) развертки...	47
3.2.	Форма видеосигнала.................................. 50
3.3.	Спектр видеосигнала и его особенности............... 54
3.4.	Чересстрочная развертка............................. 59
Глава 4. Искажения телевизионного изображения..........	62
4.1.	Нормирование основных параметров систем и искажений телевизионного изображения.......................... 62
4.2.	Геометрические (координатные) искажения............. 63
4.3.	Полутоновые (градационные) искажения................ 65
4.4.	Искажения яркости мелких деталей и вертикальных гра-
ниц крупных деталей (искажения четкости и резкости)..	68
4.5.	Искажения яркости средних и крупных деталей.....	71
4.6.	Цветовые искажения.................................. 73
4.7.	Флуктуационные помехи............................... 74
4.8.	Оценка искажений изображения по телевизионным таблицам ................................................ 77
Оглавление
611
Глава 5. Основы цифрового телевидения.................. 82
5.1.	Общие принципы.................................. 82
5.1.1.	Импульсно-кодовая	модуляция............... 84
5.1.2.	Компрессия................................ 91
5.1.3.	Канальное кодирование..................... 92
5.1.4.	Модуляция................................. 93
5.1.5.	Обобщенная структурная схема системы цифрового телевидения...................................... 93
5.2.	Методы видеокомпрессии.......................... 95
5.2.1.	Дискретно-косинусное преобразование....... 96
5.2.2.	Квантование коэффициентов дискретно-косинусного преобразования................................ 99
5.2.3.	Кодирование коэффициентов дискретно-косинусного преобразования............................... 100
5.2.4.	Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция 101
5.2.5.	Компенсация движения в динамических изображениях ........................................... 104
5.2.6.	Типы изображений......................... 109
5.3.	Цифровая фильтрация телевизионного сигнала..... 110
5.4.	Временные преобразования цифровых сигналов..... 113
ЧАСТЬ II. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЬ-ЛЕЙ СВЕТ-СИГНАЛ И СИГНАЛ-СВЕТ......................... 115
Глава 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал ... 115
6.1.	Датчики телевизионных сигналов и их характеристики.. 115
6.2.	Видикон........................................ 117
6.3.	Плюмбикон...................................... 123
6.4.	Твердотельные фотоэлектрические преобразователи изображения............................................ 126
Глава 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет.
Общие сведения........................................ 135
7.1.	Кинескопы черно-белого телевидения............. 136
7.2.	Электронный прожектор.......................... 137
7.3.	Экраны кинескопов.............................. 138
7.4.	Кинескопы цветного телевидения................. 143
7.5.	Жидкокристаллические и плазменные экраны....... 147
7.6.	Проекционные системы........................... 150
Глава 8. Развертывающие устройства.................... 152
8.1.	Отклонение электронного луча................... 152
8.2.	Эквивалентная схема отклоняющей системы........ 158
8.3.	Выходной каскад строчной развертки на двустороннем ключе............................................... 159
8.4.	Практическая схема генератора строчной развертки на транзисторе......................................... 163
612
Оглавление
8.5.	Особенности выходных каскадов строчной развертки в цветных телевизорах................................ 171
8.6.	Генераторы кадровой развертки.................. 178
Глава 9. Синхронизация развертывающих устройств и источников сигнала.................................... 187
9.1.	Общие положения................................ 187
9.2.	Форма сигналов синхронизации................... 190
9.3.	Синхронизация генераторов электрических колебаний ... 195
9.4.	Формирование сигналов синхронизации............ 197
9.5.	Синхронизация источников сигнала путем временного преобразования..................................... 201
ЧАСТЬ III. СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ............... 204
Глава 10. Методы передачи информации о цвете.......... 204
10.1.	Понятие о цвете................................ 204
10.2.	Фотометрия и свойства зрительного аппарата человека.. 206
10.3.	Колориметрическое определение цвета............ 208
10.4.	Геометрическое представление цвета............. 211
10.5.	Система RGB.................................... 213
10.6.	Цветовая система XYZ........................... 217
10.7.	Равноконтрастная цветовая диаграмма............ 221
10.8.	Способы получения цветного телевизионного изображения................................................. 222
10.9.	Особенности восприятия цвета в телевидении..... 225
10.10.	Условия правильной цветопередачи в телевидении. 226
10.11.	Матричная цветокоррекции....................... 231
10.12.	Светоделительная система передающей камеры..... 235
Глава 11. Методы формирования полного сигнала цветного телевидения........................................... 238
11.1.	Основные требования к вещательной системе цветного телевидения .......................................... 238
11.2.	Первичные цвета	передачи.....................   239
11.3.	Структурная схема совместимой системы цветного телевидения ............................................ 243
Глава 12. Аналоговые системы вещательного телевидения 246
12.1.	Система цветного телевидения NTSC.............. 246
12.1.1.	Общие принципы системы................... 246
12.1.2.	Выбор частоты поднесущей................. 251
12.1.3.	Цветоразностные сигналы Ei и Eq.......... 254
12.1.4.	Структурная схема кодирующего устройства. 257
12.1.5.	Структурная схема декодирующего устройства .... 259
12.1.6.	Эксплуатационные характеристики системы.. 261
12.2.	Система цветного телевидения SECAM............. 262
Оглавление
613
12.2.1.	Общие принципы системы................... 263
12.2.2.	Основные параметры системы............... 265
12.2.3.	Структурная схема кодирующего устройства... 278
12.2.4.	Структурная схема декодирующего устройства .... 284
12.2.5.	Эксплуатационные характеристики системы.... 289
12.3.	Система цветного телевидения PAL............... 291
12.3.1.	Общие принципы системы................... 291
12.3.2.	Структурная схема кодирующего устройства... 296
12.3.3.	Структурная схема декодирующего устройства .... 299
12.3.4.	Эксплуатационник' характеристики системы... 302
Глава 13. Аналогово-цифровые и цифровые системы цветного телевидения...................................... 303
13.1.	Передача телевизионного сигнала в цифровой форме. 303
13.1.1.	Формирование пороков цифрового ТВ сигнала.. 303
13.1.2.	Канальное кодирование.................... 305
13.1.3.	Цифровые способы модуляции............... 307
13.2.	Цифровое ТВ вещание............................ 320
13.2.1.	Развитие цифрового ТВ вещания............ 320
13.2.2.	Система ATSC............................. 321
13.2.3.	Система DVB.............................. 325
13.2.4.	Система ISDB............................. 327
13.3.	Телевизионные системы улучшенного качества..... 328
13.3.1.	Телевидение высокой четкости (ТВЧ)....... 328
13.3.2.	Телевизионные системы с широкоформатным изображением ....................................... 329
13.3.3.	Телевизионные системы с уплотнением во времени 332
13.4.	Перспективы развития систем цифрового телевизионного вещания.............................................. 336
13.4.1.	Возможности интерактивной сети ТВ вещания.. 336
13.4.2.	Передача дополнительной информации в вещательных телевизионных системах....................... 339
13.4.3.	Возможность передачи телевизионных программ по узкополосным каналам............................. 341
13.4.4.	Передача телевизионных программ по сети Интернет ............................................. 342
ЧАСТЬ IV. ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ....................... 346
Глава 14. Телевизионные центры........................ 346
14.1.	Структура телевизионного центра................ 346
14.2.	Аппаратно-студийный комплекс................... 349
14.3.	Телевизионные передающие камеры................ 351
14.4.	Технические, режиссерские и центральные аппаратные .. 353
14.5.	Тслекинопроекционные аппаратные................ 357
614
Оглавление
14.6.	Синхронизация.................................. 359
14.7.	Развитие средств распространения телевизионных программ ............................................... 360
Глава 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала................................................... 362
15.1.	Особенности формирования аналогового телевизионного сигнала.............................................. 362
15.2.	Фиксация уровня черного телевизионного сигнала. 363
15.3.	Противошумовая коррекция....................... 370
15.4.	Шумоподавители................................. 381
15.5.	Апертурная коррекция........................... 389
15.6.	Коррекция полутоновых искажений................ 397
Глава 16. Преобразователи телевизионных стандартов ... 404
16.1. Основные положения и общие принципы преобразования стандартов........................................ 404
16.2. Цифровые преобразователи стандартов............. 406
Глава 17. Телевизионные приемники...................... 413
17.1.	Особенности передачи и приема телевизионных сигналов наземного вещания.................................... 413
17.2.	Особенности структурных схем телевизионных приемников.................................................. 417
17.3.	Многостандартный блок цветности телевизоров УСЦТ... 428
17.4.	Телевизионный приемник с цифровой обработкой сигналов стандартного цветного телевидения................ 447
Глава 18. Запись телевизионных сигналов................ 454
18.1.	Общие принципы и особенности магнитной записи телевизионных сигналов..................................... 454
18.2.	Частотные модуляторы и демодуляторы для магнитной записи ТВ сигналов................................... 462
18.3.	Методы магнитной записи телевизионных сигналов. 464
18.4.	Обработка воспроизводимых сигналов............. 478
18.5.	Системы автоматического регулирования (САР) в видеомагнитофонах......................................... 486
18.6.	Монтаж видеофонограмм.......................... 492
18.7.	Принцип ускоренного и замедленного воспроизведения телевизионных изображений.............................. 494
18.8.	Запись цифровых сигналов....................... 495
18.9.	Перспективы развития магнитной записи телевизионных сигналов............................................. 505
18.10.	Бытовые видеомагнитофоны....................... 507
18.11.	Цифровая запись видеосигналов на диски......... 514
Глава 19. Спутниковое телевизионное вещание............ 525
19.1.	Орбиты спутников ТВ вещания.................... 525
19.2.	Диапазон частот спутникового телевизионного сигналов. 527
Оглавление
615
19.3.	Методы передачи сигналов телевидения в спутниковом вещании ............................................... 533
19.4.	Прием сигналов СНТВ............................ 539
Глава 20. Системы кабельного	телевидения.......... 545
20.1.	Принципы построения приемной телевизионной сети. 545
20.2.	Принципы построения систем кабельного ТВ....... 549
20.3.	Головная станция............................... 551
20.4.	Распределительная сеть......................... 554
20.5.	Перспективы развития СКТВ...................... 557
Глава 21. Стереотелевидение........................... 562
21.1.	Основы стереотелевидения....................... 562
21.2.	Стереоэффект телевизионной системы............. 566
21.3.	Стереоцветное телевидение...................... 569
21.4.	Перспективы развития стереотелевидения......... 576
Глава 22. Телевизионный контроль и измерения.......... 579
22.1.	Методы и критерии оценки качества телевизионных изображений............................................. 579
22.2.	Контроль качества изображений в аналоговых телевизионных системах....................................... 583
22.2.1.	Субъективный контроль качества изображений .... 583
22.2.2.	Контроль качества изображений с помощью испытательных строк.................................. 585
22.3.	Контроль качества изображений в цифровых телевизионных системах......................................... 588
22.3.1.	Требования к контролю качества работы цифровых телевизионных систем............................. 588
22.3.2.	Основные параметры, контролируемые в	ЦТВ.. 591
22.3.3.	Контроль качества изображений в цифровых телевизионных системах............................... 595
22.3.4.	Испытательные таблицы для контроля качества работы ЦТВ......................................... 598
Список литературы............................... 601
Предметный указатель............................ 606
УДК 621.397 (075.8)
ЬЫ< 32.94
Г 3 I
I’ с и с н з с н т ы : доктор техн, наук, профессор Б. П. Хромой (МТУСИ); доктор техн, наук, профессор Р. Е. Быков (СПбГЭУ)
А в 1 о р ы : В. Е. Джакония, Л. Л. Гоголь, Я. В. Друзин, Н. А. Ерганжисв,
С'. Э. Коганср, П. М. Копылов, В. И. Лисогурский, О. В. Украинский
ГЗ 1 Телевидение: Учебник для вузов / В. Е. Джакония, А. А. Гоголь, Я. В. Друзин и др.; Под ред. В. Е. Джаконии. 4-е изд., стереотип. -М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 616 с: ил.
ISBN 978-5-9912-0004-2.
Излагаются теоретические основы телевидения и анализируются физические процессы в важнейших узлах телевизионной аппаратуры фотоэлектрических и оптоэлектрических преобразователях, модулях ТВ приемников и др. Рассматриваются основные современные ТВ системы: цветного телевидения, спутниковою ТВ вещания, кабельного ТВ, стереотелевидения, телевидения высоко! о и повышенного качества, телевизионного контроля и измерения. Особое внимание уделяется проблемам цифрового ТВ вещания, техноло! ни ин1срак1ивного телевидения, передачи телевизионных программ по coin Hiiicpiici и в перспективе интеграции всех телекоммуникационных служб в единую систему.
Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Телекоммуникации» и специальное!н «Радисквяи». радиовещание и телевидение». Учебник будет также по ie ich д im инженеров, работающих в области телевизионной техники.
ББК 32.94
Адрес издательства в Интернет в и и // < шиюк Ю
ISBN O7S-S.<)9 12-0004-2
© Джакония В. Г... 1 оюль А. А., Друшн Я. В. и др.. 2003, 2007
© Оформление издательства
«Горячая линия - Телеком», 2007
Адрес издательства в Интернет www.techbook.ru
Учебное издание
Джакония Владимир Ермилевич, Гоголь Александр Александрович, Друзин Ярослав Валериевич, Ерганжиев Николай Аркадьевич, Коганер Сергей Эйзерович, Копылов Павел Максимович, Лисогурский Василий Иванович, Украинский Олег Владимирович
ТЕЛЕВИДЕНИЕ
Учебник 4-е издание, стереотип.
Редактор В. А. Лазарева Технический редактор Т. Н. Зыкина Компьютерная верстка Ю. Н. Чернышов
Подписано в печать 28.05.2007. Формат 60x90 1/16.
Гарнитура Computer Modem. Усл. печ. л. 38,5. Тираж 1000 экз. (1 завод 500 экз.)
Изд. № 7004 Заказ 539
Отпечатано с готовых диапозитивов в ООО ’’Типография Полимаг” 127242. Москва, Дмитровское шоссе. 107
Книги издательства «Горячая линия - Телеком» можно заказать через почтовое агентство DESSY: 107113, г.Москва, а/я 10, а также интернет-магазин: www.dessy.ru
ТЕЛЕВИДЕНИЕ
Настоящее издание учебника является юбилейным и посвящается 70-летию кафедры телевидения и видеотехники Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Кафедра телевидения и видеотехники была создана в сентябре 1937 г. Организатором её был заслуженный деятель науки и техники РСФСР, лауреат Государственной премии СССР, доктор технических наук, профессор Павел Васильевич Шмаков, руководивший кафедрой в течение 45 лет. Более 20 лет кафедру возглавлял его ученик профессор В. Е. Джакония. В настоящее время кафедрой руководит доктор технических наук, профессор А. А. Гоголь.
ISBN 978-5-9912-0004-2

9 785991 200042
Сайт издательства:
www.techbook.ru