2. Форма тв видеосигнала. Спектр видеосигнала и его особенности

Величина видеосигнала, получаемого на передающей стороне с выхода фотоэлектрического преобразователя (преобразователя свет - сигнал), является функцией времени и пропорциональна яркости передаваемых элементов изображения. На рис. 3 приведен простейший пример преобразования яркости передаваемого изображения L в электрический сигнал (видеосигнал) U_с для объекта, содержащего вертикальные черно-белые полосы (в левой части строки), и для градационного клина (справа). Видеосигнал, как видно из рисунка, точно повторяет значения яркости каждой точки изображения на сканируемой строке. Изменению яркости от черного (L_min) до белого (L_max) соответствует изменение видеосигнала в диапазоне U_ч...U_б. При этом предполагается, что в ТВ тракте отсутствуют нелинейные искажения ТВ сигнала, а апертура развертывающего элемента (электронного луча) ничтожно мала. Следует отметить, что длительность импульсов сигнала яркости обратно пропорциональна скорости передачи элементов, т.е. скорости развертки изображения.

Рассмотрим структуру полного сигнала яркости для произвольно выбранного объекта. Его форма за период строки Т_z (строчная осциллограмма видеосигнала) приведена на рис. 4, а, а за период кадра (кадровая осциллограмма) – на рис. 4, б. Видно, что видеоинформация передается только во время активной части строки и кадра, а в интервалах гасящих импульсов 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...7% для запирания ТВ преобразователей на время обратного хода развертывающих лучей;

• уровень синхроимпульсов, расположенных на площадках гасящих импульсов тоже в диапазоне «чернее черного».

Рис. 3.. Процесс образования видеосигнала: а – передаваемое изображение; б – сигнал при развертке строки

Длительность строчного синхронизирующего импульса _{z синх} = 4,7 мкс, кадрового _{к синх} = 160 мкс = 2,5H, где H – период строки. Если принять размах полного сигнала яркости (видеосигнал + синхросигнал) за 100%, то полезная видеоинформация – от уровня гасящего импульса до уровня белого – занимает 70% его амплитудного диапазона, а сигнал синхронизации приемника – 30%.

Диаметр апертуры электронного луча d, даже хорошо сфокусированного, физически ограничен, и 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 развертывающего луча ограничивают разрешающую способность системы, т.е. четкость и резкость ТВ изображения.

Резкому перепаду яркостей L_min и L_max (рис. 5, а) соответствует сигнал с плавным переходом от значения i_min к i_max длительностью _уст. Если размеры деталей меньше размеров развертывающего пятна, размах сигнала уменьшается. Если чередуются черно-белые детали с размером, равным половине (или менее) диаметра апертуры, то сигнал пропорционален их средней яркости. Поэтому детали подобных размеров не воспроизводятся. Это иллюстрируется рис. 5, б, на котором построен сигнал изображения от полос с чередующейся яркостью L_min и L_max.

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.

Рис. .4. Форма видеосигнала за периоды строки (а) и кадра (б)

Рис. .5. Апертурные искажения видеосигнала: a – объект переменной структуры; б – форма видеосигнала;

Анализируя форму видеосигнала, можно сделать следующие выводы:

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 f_z=1/Т_z и f_к=1/Т_к.

Можно показать, что спектр ТВ видеосигнала при чересстрочной развертке содержит частотные составляющие в полосе от f_min = 50 Гц до примерно f_max = 6 МГц.

Телевизионным стандартом (D, К) задаются число строк растра z = 625 и частота кадров f_к = 25, k = 4/3 (отношение ширины экрана к высоте). В действительности за длительность кадра полезно развертываемых (активных) строк будет 575, a 50 строк будет потеряно за время обратного хода кадровой развертки.

С помощью чересстрочной развертки удается при неизменных числе строк и частоте мельканий в 2 раза снизить скорость строчной развертки, т.е. скорость передачи ТВ информации, и тем самым уменьшить вдвое верхнюю граничную частоту спектра сигнала изображения.