Описание лабораторного макета

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.

 

Рис.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).

Рис. 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).

Рис.3 Полный телевизионный сигнал 1

 

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.

 

Рис. 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.

Табл. 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.

 

Рис. 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.

 

Описание лабораторного макета

Структурная схема лабораторного макета представлена на рис.6.

Рис. 6. Структурная схема лабораторного макета

 

Лабораторный макет содержит:

— телевизор с входом и выходом «Видео»;

— осциллограф с блоком выбора строки (БВС) С1-81;

— генератор стандартного ПЦТС;

— соединительные кабели и принадлежности к ним.

Лабораторный макет работает следующим образом.

Генератор вырабатывает стандартный ПЦТС, соответствующий какому-либо испы­тательному изображению (например, вертикальных цветных полос). С генератора П Ц ТС через разветвитель видеосигнал подается на вход «Видео» телевизора и на вход канала вертикального отклонения осциллографа. При этом на экране телевизора наблюдается те­левизионное изображение, а на экране осциллографа - соответствующий видеосигнал.

Благодаря использованию телевизионного осциллографа с БВС возможен просмотр любой строки или группы строк ПЦТС в любом временном масштабе. Кроме исследова­ния тестового ПЦТС, в лабораторной установке имеется возможность исследования реаль­ного ПЦТС вещательного телевидения.

Домашнее задание

1. Изучить следующие особенности стандартного ПЦТС:

— структуру и особенности сигналов синхронизации в ПЦТС (строчных и кадровых);

— структуру и особенности яркостного сигнала в ПЦТС (сигналы яркости и гашения);

— структуру, особенности и способ передачи сигналов цветности в ПЦТС (сигналы цветности и цветовой синхронизации);

— возможность передачи дополнительной информации в ПЦТС.

2. Изучить работу лабораторного макета.

3. Ознакомиться с порядком выполнения лабораторного задания, подумать, какие ре­зультаты должны получиться в каждом пункте.

4. Подготовиться к ответам на контрольные вопросы.

Лабораторное задание

1. Включить приборы, собрать лабораторный макет (см. рис.6).

В осциллографе включить блок БВС, установить переключатель вида синхронизации в положение «ВИДЕО БВС II/I», а регулятор задержки - в крайнее левое положение. Включить телевизор на 8-ю программу (при этом сигнал с генератора ПЦТС будет пода­ваться на видеовход телевизора). Включить в генераторе ПЦТС испытательный сигнал вертикальных полос градаций яркости.

2. Получить на экране осциллографа и зарисовать осциллограмму интервалов прямо­го и обратного хода по строке для черно-белого видеосигнала. Для этого:

- выбрать с помощью регулятора «ВЫБОР СТРОКИ» БВС любую строку, в которой передается сигнал яркости;

- получить устойчивое изображение строки черно-белого видеосигнала.

Получить на экране осциллографа и зарисовать осциллограмму интервалов прямого

и обратного хода по строке для другого испытательного сигнала. На осциллограммах про­ставить размерности. Когда все строки поля изображения одинаковы, для получения луч­шего изображения на экране осциллографа блок БВС можно отключить.

3. Зарисовать осциллограмму интервалов прямого и обратного хода по строке для видеосигнала цветного изображения (сигнала вертикальных цветных полос), кодированно­го по системе SECAM. Для этого необходимо в генераторе ПЦТС нажать кнопки «СЦС», «PAL/SECAM», «ЦВЕТ».

4. Получить на экране осциллографа и подробно зарисовать осциллограмму интерва­ла кадрового гасящего импульса для первого поля. Для этого необходимо:

- перевести переключатель поля в БВС в положение «2»;

- выбрать одну из последних строк второго поля (621 или 622);

- включить растяжку времени развертки (х0,2)

- используя регуляторы «ВЫБОР СТРОКИ», «СИНХРОНИЗАЦИЯ», «РАЗВЕРТКА» (грубо/плавно), получить необходимое изображение и зарисовать его, пронумеровав стро­ки. Измерить длительности и показать на полученной осциллограмме уравнивающие им­пульсы, врезки, кадровые и строчные синхроимпульсы, кадровые и строчные гасящие ин­тервалы. Найти и зарисовать отличия в кадровом гасящем интервале при цветном и черно­белом изображении.

5. Выполнить предыдущий пункт для второго поля, выбрав одну из последних строк поля «1». Осциллограмму зарисовать под осциллограммой первого поля в одном масшта­бе. Найти отличия в кадровых гасящих интервалах 1-го и 2-го полей.

6. Отключить выход генератора ПЦТС. Отключить растяжку времени развертки (х0,2). Переключить телевизор на программу вещательного телевидения. Про­смотреть строки реального видеосигнала. Обратить внимание на то, как изменение видео­сигнала соответствует изменению изображения на экране телевизора (вверху и внизу кад­ра). Просмотреть сигналы служебной информации. Обратить внимание на проявление шу­ма и помех на экранах телевизора и осциллографа. Условно зарисовать заполнение задней площадки кадрового гасящего интервала первого и второго полей, пронумеровать строки.

7. Повторить предыдущий пункт для одной или нескольких других программ веща­тельного телевидения. Осциллограммы зарисовывать не обязательно.

5. Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Структурная схема лабораторного макета.

3. Результаты выполнения домашнего задания.

4. Осциллограммы с масштабной сеткой и пояснениями.

5. Выводы по каждому пункту лабораторного задания.

 

 

6. Контрольные вопросы

1.Назначение строчных и кадровых синхроимпульсов.

2.Назначение гасящих строчных и кадровых импульсов.

3.Каким образом из состава ПЦТС выделяются кадровые и строчные синхроимпуль­сы?

4.Что называется уровнями черного и белого?

5.Какую информацию несет постоянная составляющая и как она передается в ПЦТС?

6.Что называется полярностью видеосигнала?

7.Назовите все основные виды информации, передаваемой в ПЦТС.

8.Для чего в кадровый синхроимпульс введены врезки?

9.Для чего в кадровый гасящий импульс введены уравнивающие импульсы?

10.Какие искажения изображения будут при отсутствии врезок и уравнивающих им­пульсов?

11.Какие искажения будут на экране телевизора при отсутствии только уравниваю­щих импульсов?

12.Какие искажения будут на экране телевизора при отсутствии врезок?

13.От чего зависит ширина спектра П Ц ТС?

14.Что передается на задней площадке строчного гасящего импульса?

15.Что произойдет, если проинвертировать ПЦТС на видеовходе телевизора?

16.Каким - широкополосным или узкополосным - является ПЦТС а) на видеочасто­те; б) на промежуточной частоте; в) на радиочастоте?

17.Назначение сигналов цветовой синхронизации (СЦС).

18.В каких строках передается СЦС по кадрам в системе SECAM?

19.В каких строках ПЦТС передается дополнительная информация и каково её на­значение?

20.В каких строках ПЦТС и как передается информация телетекста?

21.Укажите характерные особенности спектра ПЦТС.

22.Виды модуляции, ширина спектра и частотное распределение радиосигналов те­левизионного вещания.

Примечание. Вопросы расположены ориентировочно в порядке возрастания сложности

8. Литература

1.Телевидение: Учебник для ВУЗов / В.Е. Джакония, А.А. Гоголь, Я.В. Друзин и др.; Под ред. В.Е. Джаконии. — М.: Горячая линия — Телеком, 2007.— 616 с.

2.Быков Р.Е. Теоретические основы телевидения: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1995.

3.Телевидение. Под ред. П.В. Шмакова. М., 1979.

4.ГОСТ 7845-92 «Система вещательного телевидения. Основные параметры. Методы измерений».