Заведующий кафедрой ТУ, профессор

___________И.Н. Пустынский

«____»________________2007 г.

 

 

Лабораторный практикум по дисциплине

«Телевидение»

РАЗРАБОТАЛИ

Доцент кафедры ТУ

_____________А.Г. Ильин

Доцент кафедры ТУ

__________Г.Д. Казанцев

Доцент кафедры ТУ

__________М.И. Курячий

Инженер кафедры ТУ

_________А.В. Богатырёв

«____»___________2007 г.

Лабораторная работа № 2

ИЗУЧЕНИЕ ФОРМ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛ

 

Цель работы: Изучение формы и параметров полного телевизионного сигнала.

Вводная часть

За прошедший век в телевидении произошли существенные изменения, связанные с общим техническим процессом. На смену оптико-механическим ТВ системам невысокого качества пришли системы электронного телевидения. Черно-белое телевидение повсеместно вытеснено системами цветного ТВ вещания. Аналоговое телевидение постепенно превращается в цифровое. Однако, несмотря на столь очевидный прогресс, телевидение развивалось и развивается в рамках направления, ограниченного предложениями Дж. Керри и П.И. Бахметьева (разбиение изображения на отдельные элементы). И действительно, понятие элемента изображения (элемент разложения, пиксель) является фундаментальным в современном телевидении, а развертка - основным технологическим процессом при анализе и синтезе телевизионного изображения.

Принцип действия современной системы визуального телевидения основан на использовании процесса развертки, осуществляемого дважды - на передающей и приемной сторонах. В процессе развертки на передающей стороне формируется видеосигнал, при этом происходит пространственно-временная дискретизация, т.е разложение изображения на кадры, строки и элементы.

Исполнительным органом процесса дискретизации является разлагающая (развертывающая, анализирующая) апертура, в роли которой могут выступать (в различных устройствах) сфокусированный электронный луч, световое пятно, отверстие в непрозрачном экране, элемент матричной структуры. В процессе развертки разлагающая апертура перемещается по закону развертки относительно передаваемого изображения. Мгновенное значение видеосигнала, генерируемого в процессе разложения, пропорционально освещенности опрашиваемого элемента, т.е. того элемента, который совмещен в данный момент с разлагающей апертурой. Траектория движения разлагающей апертуры за время кадра называется растром. К структуре растра, определяемого законом развертки, предъявляются следующие требования: растр должен охватывать все элементы изображения; строки растра должны равномерно заполнять все поле изображения; процедура опроса любого элемента изображения должна быть одинаковой.

В наибольшей степени указанным требованиям отвечают так называемые линейные растры, формируемые с помощью линейных разверток. В телевидении широкое распространение получили два типа линейных разверток – построчная и чересстрочная.

В вещательных системах телевидения используется исключительно чересстрочная развертка, так как она позволяет, не снижая качества изображения, уменьшить вдвое верхнюю граничную частоту f_В спектра видеосигнала. При чересстрочной развертке каждый кадр разбивается на два одинаковых по длительности поля (полукадра) с периодом Т_П = Т_К/2. Чересстрочный растр возможен при нечетном числе строк в кадре, при этом строки четного поля располагаются в середине промежутков между соседними строками нечетного поля.

На рисунке 1 показана структура видеосигнала и его связь с геометрическими и яркостными характеристиками изображения. Из рисунка видно, что полное представление о структуре видеосигнала можно получить, рассматривая его в двух масштабах - в масштабе строки Т_С и в масштабе поля (полукадра) T_К.

 

Рисунок 1 – К пояснению структуры видеосигнала.

 

Из рисунка также видно, что видеосигнал состоит из двух компонент – информационного сигнала изображения (сигнала яркости) и служебных сигналов, к которым относятся строчные и кадровые гасящие и синхронизирующие импульсы.

Во время прямого хода кадровой развертки формируются активные строки. В каждой строке можно выделить время прямого хода и время обратного хода. Во время прямого хода в активных строках формируется сигнал изображения, содержащий информацию о распределении освещенности (яркости) вдоль текущей строки. Во время обратного хода строчной развертки передаются служебные сигналы - строчный гасящий импульс (СГИ) и расположенный на его вершине строчный синхронизирующий импульс (ССИ).

Полярность видеосигнала принято считать положительной, если большим значениям яркости соответствуют большие значения сигнала, при этом гасящие и синхронизирующие импульсы отрицательны (см рисунок 1).

На рисунке 2 представлена близкая к реальной осциллограмма видеосигнала (положительной полярности) с указанием уровней и длительностей для ТВ стандарта России (ГОСТ 7845-92).

Рисунок 2 – Форма видеосигнала в масштабе строки.

 

Из рисунка видно, что сигнал изображения (яркости) и служебные сигналы разнесены не только во времени, но и по амплитуде (т.е по динамическому диапазону), что позволяет надежно изолировать их друг от друга и избежать взаимных помех, а также обеспечить сравнительно простое выделение синхросигнала из видеосигнала.

Обращаясь вновь к рисунку 1, видим, что после окончания прямого хода по кадру формируется кадровый гасящий импульс (КГИ) длительностью t_к, на вершине которого располагаются кадровый синхронизирующий импульс (КСИ), относящиеся к пассивным строкам кадра. Совмещенная последовательность строчных и кадровых синхроимпульсов называется синхросмесью (СС), которая передается в составе видеосигнала и предназначена для синхронизации блока разверток ТВ приемника. Для обеспечения устойчивости синхронизации принимаются специальные меры, приводящие к существенному усложнению синхросмеси в окрестности КСИ, причем наибольшее усложнение имеет место при чересстрочной развертке (рисунок 3).

Рисунок 3 – Полный телевизионный сигнал

 

 

Усложнение состоит во введении уравнивающих импульсов и врезок в кадровом синхроимпульсе, идущих с двойной строчной частотой. В результате форма синхросмеси в окрестности КСИ оказывается совершенно одинаковой для четных и нечетных полей.

В телевизионном приемнике синхронизирующие импульсы выделяются из полного телевизионного сигнала амплитудным селектором, затем производится разделение кадровых и строчных синхроимпульсов. Строчные импульсы выделяются с помощью дифференцирующих цепей, кадровые - с помощью интегрирующих (рисунок 4). При этом разница в длительностях ССИ и КСИ преобразуется в разницу по амплитуде. После интегрирующей цепочки амплитуда строчных синхроимпульсов значительно ниже амплитуды кадровых синхроимпульсов. Для более надежного выделения КСИ используются двух- и трехзвенные интегрирующие цепочки.

 

Рисунок 4 – Разделение синхроимпульсов с помощью дифференцирующих и интегрирующих цепей.

 

Развитие телевидения, создание новых ТВ систем, разработка и изготовление многочисленными заводами разнообразной аппаратуры, пригодной к совместной работе, обмен телевизионными программами были бы невозможны, если бы не существовало некоего руководящего документа, в котором перечислены основные требования к ТВ аппаратуре, ее основные технические и эксплуатационные характеристики. Таким документом является телевизионный стандарт. В мире в настоящее время действуют 9 стандартов. В России действуют стандарты D/K. Подробные сведения о ТВ стандарте России изложены в документе ГОСТ 7845-92. В таблице 1 для этого стандарта приведены некоторые основные параметры растра и видеосигнала.

Таблица 1 – Параметры ТВ стандарта

Параметр ТВ стандарта	Условное обозначение	Значение параметра
1. Номинальный уровень белого, %	–
2. Номинальный уровень гашения, %	–
3. Номинальный уровень синхронизации, %	–
4. Номинальная длительность строки, мкс	Н
5. Длительность гасящего импульса строк, мкс	a	12,0±0,3
6. Интервал между фронтами гасящего и синхронизирующего импульсов строк, мкс	c	1,5±0,3
7. Длительность синхронизирующего импульса строк, мкс	d	4,7±0,2
8. Номинальная длительность поля, мс	–
9. Длительность гасящего импульса полей	j	25 H + a
10. Длительность первой последовательности уравнивающих импульсов	l	2,5 H
11. Длительность последовательности синхронизирующих импульсов полей	m	2,5 H
12. Длительность второй последовательности уравнивающих импульсов	n	2,5 H
13. Длительность уравнивающего импульса, мкс	p	2,35±0,10
14. Длительность синхронизирующего импульса полей, мкс	q	27,3
15. Интервал между соседними синхронизирующими импульсами полей, мкс	r	4,7±0,2

 

Проблема оценки и сравнения качества различной электронной аппаратуры возникла, возможно, раньше появления самой этой аппаратуры. Применительно к телевизионной технике эта проблема решается с помощью специальных измерительных и тестовых таблиц.

Существует большое количество вариаций испытательных таблиц, разработанных ассоциациями радиоинженеров, радиоэлектронными фирмами, телевизионными вещательными компаниями.

Естественно, что формат таблицы определяется стандартом передаваемого ТВ-сигнала, поэтому внешний вид таблиц, используемых для систем NTSC, PAL или SECAM, будет несколько отличаться друг от друга. На рисунке 5 показана таблица, используемая большинством вещательных телеканалов по всему миру. Универсальная таблица прекрасно знакома большинству. Ее мы видим на наших экранах во время перерывов вещания. Кроме того, существует еще множество узкоспециализированных измерительных сигналов, как, например, сетчатое поле для проверки сведения лучей, шахматное поле и т.д.

 

Рисунок 5 – Универсальная испытательная таблица

А теперь на примере знакомой всем «нашей» универсальной таблицы посмотрим, что можно увидеть и понять с ее помощью. Для удобства обозначения отдельные элементы таблицы обозначены по горизонтали буквами, а по вертикали цифрами. Итак, какие параметры видеотехники можно оценить по измерительной таблице, просто на глаз, без каких-либо измерительных приборов.

Размер изображения. Как известно, на экране ТВ-приемника мы видим гораздо меньше того, что передается на самом деле. Реально изображение на экране обрезано на 10–15 % по сравнению с передаваемым сигналом. Стандартный размер кадра устанавливается по имеющимся в таблице реперным линиям, которые совмещают с краями обрамления кинескопа. Точность настройки формата изображения можно оценить по квадратам и окружностям в составе таблицы.

Геометрические искажения. Геометрические искажения изображения вызываются нелинейностью сигналов, вырабатываемых генераторами строчной и кадровой разверток. Скажем сразу, что у большинства современных телевизоров благодаря отработанной схемотехнике проблем с этим практически не возникает. Оценить же нелинейность разверток можно по виду окружностей, входящих в таблицу, которые при наличии искажений приобретают форму эллипса. Величину нелинейности при желании можно оценить количественно. Для этого достаточно измерить соотношение сторон квадрата, который из-за нелинейных искажений может превратиться в прямоугольник.

Сведение лучей. Правильность статического сведения лучей цветного кинескопа может быть проверена по белому кресту, изображенному на сером фоне в центре таблицы. При наличии статического сведения лучей изображение белого креста не содержит цветных окантовок. Участки белой сетки в угловых зонах таблицы служат для контроля динамического сведения по всему полю экрана.

Разрешающая способность изображения легко и удобно оценить по полосе 13, в которой сформированы 7 групп штрихов. Эти штриховые полосы создаются пачками синусоидальных напряжений с частотами, приблизительно соответствующими 200, 300, 400 и 500 линиям. При этом в центре размещен участок наивысшей частоты, а по краям – группы низких частот. С их помощью оценивается разрешающая способность яркостного канала. Для оценки четкости изображения по краям растра в малых кругах расположены группы вертикальных штрихов, соответствующие 300 и 400 линиям. В полосе 9 таблицы от колонки f до колонки u расположены три группы парных цветных штрихов – пурпурно-зеленые, желто-синие и красно-голубые. С помощью этих цветных штрихов оценивается цветовая четкость. Нужно еще заметить, что штрихи в полосе 13 на экране цветного телевизора могут приобретать окраску, которая называется муаром.

Установка яркости, контрастности и баланса белого. Пожалуй, это наиболее популярная часть измерительной таблицы. Именно по ней можно установить правильную яркость и контрастность принимаемого изображения. В полосе 8 таблицы расположена серая шкала, содержащая фрагменты с различной яркостью. Эта зона служит для установки контрастности и уровня черного. Регуляторы яркости и контрастности следует установить таким образом, чтобы на изображении различались все фрагменты серой шкалы. В крайнем случае, считается допустимым слияние двух соседних фрагментов на участке черного и темно-серого цветов. Серая шкала служит также для контроля и настройки баланса белого цвета. Если баланс настроен правильно, все градации серой шкалы остаются нейтрально серыми, не приобретают какой-либо окраски.

Оценка отраженных сигналов. Отраженные сигналы возникают в условиях некачественного приема, когда, помимо полезного сигнала, на антенный вход телевизора воздействуют паразитные сигналы, отраженные от каких-либо объектов, зданий. Наличие отраженных сигналов оценивается по одиночным штрихам, расположенным в зонах 10 h–j и 11 r–t. Любопытно, что измерив положение штрихов, вызванных паразитным сигналом, не так сложно вычислить расстояние до мешающего объекта.

Правильность передачи цвета изображения. Верность и точность цветопередачи обеспечивается настройкой схемы матрицирования сигналов и системы цветовой синхронизации в телевизионном приемнике. Для контроля цветопередачи предназначены два ряда цветных прямоугольников (полоса 6–7 и 14–15) последовательно: белый, желтый, голубой, пурпурный, красный, синий и черный. На прямоугольниках верхнего ряда (полоса 6–7) насыщенность цвета должна быть около 75%, а в нижнем ряду (полоса 14–15) - насыщенность 100%. Цвета прямоугольников могут искажаться при расстройке схемы матрицирования. Нарушение цветовой синхронизации может вызывать потерю цветности. В этой же зоне оценивается четкость цветовых переходов. Особо проблемным является переход между зеленым и пурпурным цветами.

Чересстрочная развертка. О точности чересстрочной развертки можно судить по виду наклонных линий, расположенных на участках 11, g–j и 10, q–u таблицы. Наличие изломов означает, что строки соседних кадров частично накладываются.

Многоконтурность и тянущиеся продолжения. Для оценки этого вида искажений служат контрастные метки (узкие полоски; белая на черном и черная на белом фоне) в зоне 10 и 11 f–u таблицы. Помехи, возникающие из-за, например, плохого согласования антенны, хорошо видны на контрастном фоне этих участков, при отсутствии помех метки остаются четкими и одиночными.

Оценка линейности характеристики канала цветности. Сигнал, создающий в полосе 12 f–u, таблицы широкую линию, плавно меняющую окраску от зеленого до пурпурного, служит для оценки линейности характеристики канала цветности. Отсутствие каких-либо визуальных искажений или дополнительной подкраски говорит о хорошей линейности.