Примерный перечень лабораторных работ

1 Исследование структуры и характеристик сигнала телевизионного вещания.

2 Кодирующее устройство системы SECAM.

3 Исследование ПЦТС системы SEСAM.

4 Исследование ПЦТС систем PAL и NTSC.

5 Изучение передающей телевизионной камеры.

6 Изучение конструкции и работы видеомагнитофона.

7 Исследование влияния степени сжатия видеоданных на качество изображения.

8 Измерение параметров телевизионного тракта с помощью испытательных строк.

Перечень рекомендуемой литературы

1. Основная литература

0. К.Т. Колин, Ю.В. Аксентов, Е.Ю. Колпенская. Телевидение. М.; Радио и связь, 1987 г.

1. А.В. Коваленко, М.Т. Кохно. Звуковое и телевизионное вещание. М.; Радио и связь, 1987 г.

2. В.Е. Джакония. Телевидение. М.Радио и связь, 1986 г.;

2. Дополнительная литература

   1. Информационно-технический журнал «625». М.; ООО «Издательство 625», 1997, 98, 99г.г.

   2. Информационно-технический журнал «Техника кино и телевидения». М.; ТКТ, 1998,99г.г.

Приложение А

Электонно-оптические преобразователи

Все телевизионные камеры, выпускающиеся в настоящее время, в качестве преобразователей свет-сигнал используют ПЗС приборы с зарядовой связью. И все больше устройств отображения информации, предлагаемых фирмами производителями, в качестве преобразователей сигнал-свет используют панельные дисплеи. Современные электронно-оптические преобразователи имеют ряд важных преимуществ перед электровакуумными:

1. большое время наработки на отказ;

2. постоянный, стабильный во времени растр, чем снимается проблема геометрических искажений и статического и динамического сведений;

3. нет необходимости в высоковольтных и генераторах развертки, наиболее часто выходящих из строя;

4. меньше объем и масса;

5. нет необходимости в отклоняющих и фокусирующих системах.

Приборы с зарядовой связью

Конечно, не сразу матрицы ПЗС вытеснили электровакуумные преобразователи свет-сигнал. Самые первые матрицы уступали им практически по всем характеристикам, но выше перечисленные достоинства ПЗС привлекли внимание фирм производителей, которые в свою очередь довели характеристики ПЗС до того уровня, на котором они находятся сейчас. В настоящее время в продаже нет ни одной телевизионной камеры с электровакуумными преобразователями. На всех камерах можно увидеть три буквы ССD (Charge-Coupled Device), что в переводе означает прибор с зарядовой связью.

В настоящее время в камерах используется три вида ПЗС:

1. Матрицы с покадровым переносом (международная аббревиатура FT);

2. Матрицы с построчным переносом (IT);

3. Матрицы с построчно-кадровым переносом (FIT).

Самые первые матрицы FT были предложены фирмой RCA. Ее устройство и принцип работы показаны на рисунке 3. Она состоит из двух одинаковых по объему секций: секции накопления и закрытой от света секции хранения. Изображение передаваемого объекта с помощью объектива проецируется на секцию накопления. Здесь в каждом МОП конденсаторе накапливаются заряды, пропорциональные их освещенности. Время накопления зарядов называется временем экспонирования, и оно соответствует прямому ходу кадровой развертки. Во время обратного хода по кадру накопленные заряды переносятся в секцию хранения. К началу следующего прямого хода по кадру в секции накопления не останется зарядов предыдущего кадра и начнется накопление информации о следующем кадре. А из секции хранения начнется вывод зарядов предыдущего кадра: во время обратного хода по строке (строчный гасящий импульс) заряды одной строки переходят в сдвиговый регистр, а во время прямого хода (активная часть строки) выводятся через преобразователь заряд-напряжение.

Рисунок 3 Структура FT матрицы

Таким образом пока в секции накопления накапливается информация о текущем кадре, из секции хранения выводится информация о предыдущем. И к концу прямого хода по кадру (времени экспонирования) секция хранения окажется пустой и готовой принять заряды текущего кадра.

Недостатком матриц типа FT является обязательное наличие обтюратора, который необходим для перекрывания света, падающего на секцию накопления во время переноса зарядов в секцию хранения. Это вызвано тем, что конденсаторы, участвующие в этом переносе так же являются и сигнальными, т.е. преобразуют световой поток в заряды. Если не прекратить доступ света, к верхним по рисунку зарядам будут добавляться заряды от нижних конденсаторов. Изображение на приемном конце будет смазано по вертикали.

Из-за этого в настоящее время FT матрицы применяются только в одной линейке камер фирмы Philips.

Наибольшую роль в совершенствовании ПЗС сыграла фирма Sony, уже в первой своей камере на ПЗС она использовала IT матрицы. На рисунке 4 показана IT матрица с таким же разрешением, как и FT на рисунке 3.

Матрица IT имеет сгруппированные в столбцы светочувствительные ячейки и регистры переноса зарядов (секция накопления и секция хранения пространственно объединены). Последние закрыты от доступа света. Отличие в работе от предыдущей матрицы составляет только движение зарядов во время обратного хода по вертикали. Здесь заряды делают только один шаг и оказываются закрытыми от доступа света.

Рисунок 4 IT матрица

Отсюда и ее достоинство перед предыдущей матрицей – нет необходимости в обтюраторе. Матрицы IT используются в большинстве выпускаемых в настоящее время телевизионных камер.

Матрицы с построчным переносом подвержены влиянию ярких элементов изображения. Оно проявляется в вертикальных тянущихся продолжениях за яркими элементами изображения (вертикальные столбцы). Дело в том, что во время накопления зарядов текущего кадра в секциях светочувствительных ячеек, в соседних регистрах переноса зарядов находится информация о предыдущем кадре. Фотоны от ярких элементов изображения проникают вглубь полупроводника, где образуют пару электрон-дырка. Электроны производят несанкционированный переход в регистры переноса зарядов и добавляются к зарядам предыдущего кадра.

Эти искажения недопустимы в камерах высокого класса (вещательных), но возможны в камерах, работающих в системах сбора новостей.

Наиболее совершенным типом ПЗС являются FIT матрицы (рисунок 5). Здесь объединены первые две матрицы. Во время обратного хода по кадру заряды переходят в вертикальные регистры и сразу же в секцию хранения. Достоинство такой матрицы – малый уровень помех в виде вертикальных столбцов. Как минимум в 11,5 раз меньше, чем в матрицах IT типа. Это объясняется тем, что в IT матрицах информация выводится через вертикальные регистры, где и возникают эти искажения, за время активных строк одного поля 287,5*64мкс=18,4мс, а в FIT матрицах заряды проходят через вертикальные регистры за время пассивных строк поля 25*64мкс=1,6мс. Значит в каждом конденсаторе вертикального регистра в матрице FIT заряды будут находится в 18,4/1,6 раза меньше (по времени), чем в IT матрице, и значит во столько же раз уменьшится количество паразитных зарядов. А если время переноса уменьшить, что никак не повлияет на работоспособность матрицы FIT, то соответственно и уменьшится количество паразитных зарядов.

Рисунок 5 FIT матрица

Таким образом, из-за того, что основные процессы вывода зарядов из матрицы FIT происходят вдали от освещенных участков, уровень столбцов на 30-50дБ ниже, чем у IT матриц. Основной недостаток FIT матриц – их высокая стоимость. Поэтому они используются только в вещательных и профессиональных телевизионных камерах.

Как видно из рисунков, в IT и FIT матрицах не вся поверхность, на которую проецируется изображение, участвует в преобразовании свет-сигнал. Часть света попадает на закрытые вертикальные регистры, поэтому при всех прочих равных условиях чувствительность этих матриц, по сравнению с FT матрицами ниже. Для увеличения чувствительности вертикальные регистры необходимо перенести в глубь полупроводника, но полностью это сделать невозможно. Чтобы исключить их влияние фирмой Sony была предложена система микролинз. Каждому элементу изображения соответствует одна линза, которая направляет весь световой поток в светочувствительную ячейку.

ПЗС – это матрица элементарных МОП конденсаторов, выполняющих различные функции. Они на столько близко расположены друг к другу, что их потенциальные ямы перекрываются, за счет чего и возможен перенос зарядов. В современных матрицах соседние конденсаторы оборудуются управляемыми диодными переходами, что позволило организовать функцию электронного затвора и обеспечило возможность организации нескольких режимов работы ПЗС.

Электронный затвор позволяет оператору быстро во время съемки менять время экспозиции. Современные камеры выпускаются со следующим рядом времени экспозиции: 1/50, 1/60, 1/100, 1/120, 1/250, 1/500, 1/1000 и 1/2000 секунды. Например, выбрано время экспозиции 1/100 секунды. Именно это время в светочувствительных ячейках будут накапливаться заряды, после чего откроются диодные переходы и заряды перейдут в секцию хранения. Все заряды, которые будут накоплены в светочувствительных ячейках оставшееся время периода поля, через управляемые переходы сбросятся в подложку (использоваться не будут). Ясно, что при уменьшении времени экспозиции будут меняться две характеристики ПЗС: уменьшатся чувствительность и инерционность, т.к. уменьшается время накопления зарядов.

По времени экспонирования и принципу вывода зарядов из матрицы различают два режима работы:

1. режим накопления кадра;

2. режим накопления поля.

В первом режиме работы во время первого поля выводятся нечетные строки, а во время второго – четные (обычная чересстрочная развертка). Достоинство высокая чувствительность, т.к. каждый конденсатор накапливает заряды целый кадр и по этой же причине недостаток – высокая инерционность. Еще одно достоинство – максимально возможная четкость по вертикали.

У второго режима работы две разновидности.

1. При выводе строки объединяются попарно. В первом поле выводятся 1, (2 и 3), (4 и 5) и т.д. строки, а во втором (1 и 2), (3 и 4), (5 и 6). Строки сдвинуты на одну для обеспечения чересстрочной развертки. Достоинства: высокая чувствительность (время накопления зарядов в два раза меньше, но заряды двух элементов изображения складываются), низкая инерционность (заряды накапливаются только одно поле 20мс). Недостаток – в два раза снижена четкость по вертикали (строки складываются).

2. В первом поле выводятся все строки с последующим пересчетом в чересстрочную развертку, а заряды, накопленные во время второго поля, сбрасываются в подложку. Достоинства: высокая четкость по вертикали (строки не складываются), низкая инерционность. Недостаток – низкая чувствительность. Кроме того, этот режим работы устраняет самый главный недостаток чересстрочной развертки – низкую вертикальную четкость динамического изображения (0,6*Z, где Z – количество строк в кадре). Этот недостаток вызван тем, что за время передачи первого поля объект может сдвинуться по вертикали, и на строки второго поля не попадут элементы изображения, не попавшие на строки первого поля (мы их теряем). В этом же режиме, информация из ПЗС выводится построчно, т.е. по вертикали все 575 элементов изображения кадра.

Время экспозиции и режимы работы ПЗС выбираются оператором исходя из условий съемки. Например, при съемке хорошо освещенных и быстродвигающихся объектов (Формула 1) необходимо уменьшать время экспозиции (иначе объекты будут смазаны), режим работы «накопление поля» второй случай. А при малом освещении необходимо увеличивать время экспозиции для увеличения чувствительности (режим работы «накопление кадра», или «накопление поля» первый случай).

ПЗС выпускаются в виде микросхем с размерами рабочей поверхности 2/3, 1/2, 1/3 и 1/4 дюйма (выигрыш в размерах и массе перед электровакуумными преобразователями очевиден) и маркируются аббревиатурой HAD –Hole Accumulated Diode (диодный накопитель дырок). ПЗС с системой микролинз маркируется Hyper HAD.