Починаючи розмову про частотному поданні сигналу. розглянемо, як залежить від характеру переданого зображення, положення тих чи інших його складових на осі частот.
Розподіл сигналів по осі частот
Нижча частота сигналу зображення
На малюнку 1 у фрагменті (1) показаний самий низькочастотний сигнал, який виходить при передачі нерухомого зображення, що складається з двох горизонтальних смуг - однієї білої і однією чорною.
Відповідний цьому зображенню сигнал являє собою імпульси, що випливають із частотою кадрової розгортки Fкадр = 50 Гц.
Зображенню (2) відповідає сигнал з частотою основної гармоніки в три рази вищою (mг / 2), ніж у (1), так як кожній парі смуг відповідає один період сигналу.
Частота основної гармоніки зображення (3) буде дорівнює частоті рядків. Частота основної гармоніки зображення (4) буде в чотири рази вищою (mв / 2), ніж (3). Зі збільшенням числа вертикальних смуг і зі зменшенням їх ширини частота сигналу зображення буде відповідно зростати. У разі рівного розподілу ширини смуг розмірами елементів розкладання частота сигналу зображення досягає свого максимального значення.
Рис.1. Залежність частоти першої гармоніки сигналу від переданого зображення.
В.Д. Крижанівський, Ю.В. Костик «Телебачення кольорове і чорно-біле». Вид-во «Зв'язок», Москва, 1980, с. 33.
Застосування черезрядковості дозволяє:
- з одного боку, взяти частоту полукадров (частоту кадрової розгортки Fкадр), визначальну мерехтіння екрану, що дорівнює частоті електромережі 50 Гц і цим самим ліквідувати мерехтіння і послабити перешкоди від мережі змінного струму;
- з іншого боку, частота кадрів fкадр при цьому виявляється рівною 25 Гц. що визначає високу частоту сигналу зображення - 6 МГц.
При порядкової розгортці з fкадр = 50 Гц вища частота сигналу зображення була б 13 МГц.
Мінімальна частота сигналу зображення fс.мін залишається, рівній частоті кадрової розгортки, Fкадр = 50 Гц (тобто частоті полукадров - полів), частота кадрів fкадр = 25 Гц - в два рази нижче.
Спектральне подання сигналів
З урахуванням високої взаємної зв'язку між рядками і кадрами можна уявити напруга сигналу як тимчасову функцію з періодом повторення рядкової Тс.р. і кадрової Тк.р. розгорток.
Періодичне коливання складається з суми постійної складової (частота якої дорівнює нулю) і ряду гармонійних (синусоїдальних) коливань. Амплітуда частотних складових телевізійного сигналу падає з ростом частоти (номера гармоніки). Перша гармонійна складова з частотою fк1 = Fкадр = 50 Гц. Далі низькочастотний ділянку спектра зайнятий гармоніками частоти кадрової розгортки. Друга гармоніка має частоту fк2 = 2Fкадр = 100 Гц.
Частота рядків (625-я гармоніка частоти кадрів) і все її гармоніки є гармоніками частоти кадрів.
Як видно з малюнка 2, при передачі нерухомих зображень близько складових спектра гармонік частоти рядків fстр групуються бічні спектри, мають також вид дискретних ліній, кратних частоті кадрової розгортки Fкадр (± 50 Гц).
У разі однокадрова передачі, коли частота кадрів прагне до нуля і спектральні лінії зіллються, спектр перетворюється в безперервний.
Наявність в повному (композитному) телевізійному сигналі рядкових гасять і синхронізуючих імпульсів збільшує інтенсивність гармонік спектра сигналу, кратних рядкової частоті, по їх числа і амплітуді.
Насправді максимумів і мінімумів в спектрі набагато більше, ніж зображено на малюнку 2.
Досить сказати, що частоті 1 МГц - відповідає 64-я гармоніка частоти рядків.
Сто двадцять восьма гармоніка частоти рядків fс128 = 2 МГц, fс192 = 3 МГц, fс256 = 4 МГц, fс320 = 5 МГц, fс384 = 6 МГц, fс400 = 6,25 МГц.
У системах замкнутого телебачення в основному передаються рухомі зображення, тому сигнал подальші знімки буде дещо відрізнятися від сигналу попереднього. Вважати його чисто періодичним його вже не можна, отже, і його спектр дискретним вже не буде.
Дискретні лінії спектра нерухомого зображення при рухомому зображенні «распливутся» в смуги, ділянки, заповнені сигналом. Це добре видно на малюнку 3.
Рис.3. Розширення спектру при рухомому зображенні.
На практиці відхилення частоти повторення сигналу від частоти рядкової розгортки fстр = 15625 Гц складає всього лише «одиниці Гц». При зміні динаміки зображення змінюється і положення ліній спектра. Спектр як би «дихає» щодо гармонік частоти рядків.
Ділянки смуг сигналу будуть тим більше, а порожні проміжки тим менше, чим вище швидкість руху деталей переданого об'єкта. Але навіть при порівняно високих швидкостях, порожні проміжки в спектрі сигналу виявляються настільки значними, що в них можна помістити додаткову інформацію про кольоровості передаються об'єктів.
Йдеться про піднесе кольоровості, яка представляє собою радіоімпульс з тривалістю 2,25 мкс і частотою 4,4336 МГц. «Імпульсний характер» колірного синхроимпульса визначає те, що його спектр має досить велику ширину і за формою також є дискретним. На малюнку 2 видно, як згустки енергії спектра колірного синхроимпульса розміщуються в проміжках спектра сигналу яскравості. Відбувається так зване «переплетення спектрів», коли спектри двох сигналів: сигналу яскравості і сигналу кольоровості займають загальні ділянки частотної осі, не порушуючи при цьому виконання кожним із сигналів своїх функцій. На малюнку 2 спектр сигналу кольоровості винесено, для наочності, кілька вниз.
Головне полягає в тому, що все це різноманіття частотних складових треба при передачі зберегти. Чим більше гармонійних складових бере участь у формуванні вихідного сигналу, тим більше точно він відповідає вхідному, вихідному сигналу.
На роздільної здатності ми зупинимося нижче, а зараз ще раз зазначимо, що тільки в системі з пропускною здатністю не менше 6 МГц можна забезпечити потенційно високий дозвіл.
У складі повного телевізійного сигналу (див. Рис.4) рядкові і кадрові синхроімпульсів розташовуються нижче рівня чорного. збігається з рівнем вводяться в сигнал гасять імпульсів. При цьому гасять імпульси служать п'єдесталом для синхроімпульсів.
Під час зворотного ходу по рядках і кадрам сигнал приймає мінімальне значення - рівень чорного. Рівень «чорного» завжди стабілізують. Найбільше значення сигналу називають рівнем білого. Рівень білого, а разом з ним і середній рівень сигналу (постійна складова), змінюється і залежить від яскравості найбільш світлих ділянок переданого зображення.
Рис.4. Осцилограма повного чорно-білого телевізійного сигналу.
Це біполярний радіоімпульс з частотою 4,43 МГц і розмахом близько 0,3 В (точніше 0,286 В), розташований, як на п'єдесталі, на подовженій поличці сатиричного імпульсу, що гасить за рядковим синхроимпульсом.
На осциллограмме, розмах синхроимпульса кольоровості не досяг навіть рівня 0,1 В. Це наслідок того, що гранична частота використовуваного осцилографа становить всього 5 МГц. Для вимірювання параметрів радіоімпульсів (з частотним заповненням) цього не достатньо.
Рис.5. Осцилограма повного кольорового телевізійного сигналу.
Труднощі в фіксації на звичайному осциллографе, що не має системи вибору рядка, полягає ще й у тому, що так звана «спалах піднесе» в системі PAL діє протягом обмеженого часу, - протягом 8-ми полів, по черзі двічі по два періоди в парних і непарних рядках.
Таким чином, на відміну від малих синхроімпульсів, які прямують з постійною частотою 15625 Гц, «спалах піднесе» являє собою «пачку» з 8-10 імпульсів з частотою fстр з наступною перервою більш ніж на 600 тактів рядкової розгортки. Все це накладає свій відбиток на спектр послідовності цих сигналів: в спектрі з'являються нові складові і вони розширюються.
Виникає законне питання, чому за допомогою осцилографа з граничною частотою 5 МГц можна без спотворення форми і амплітуди спостерігати радіоімпульс з частотою 4,43 МГц?
На малюнку 1 при обчисленнях вийшло число fс макс = 6,5 МГц. Як буде показано при розгляді роздільної здатності системи, в системах замкнутого телебачення для забезпечення високого дозволу по горизонталі, в деяких випадках необхідно забезпечити смугу частот до 7 МГц.
Рис.6. Спектр радиоимпульса.
Тепер має стати зрозумілим, чому на осциллограмме (Рис.5.) Радіоімпульс відображається з невеликою амплітудою - підсилювач осцилографа з смугою 5 МГц його просто «зарізав».
Щоб при проходженні через підсилювальні ланцюга осцилографа не було обмеження спектра радиоимпульса, ширина смуги пропускання осцилографа повинна бути не менше 6 МГц, а краще - 10 МГц.
Градаційні втрати визначаються зменшенням числа рівнів помітних перепадів яскравості (півтонів), на яких заснована распознаваемость деталей об'єктів.
Просторові втрати інформації пов'язані зі зменшенням амплітуд окремих гармонійних складових, з яких складається вихідне зображення, і залежать від форми перехідної характеристики. З ними нерозривно пов'язана роздільна здатність системи.
У телебаченні просторову частоту висловлюють числом «полупериодов» гармонійної складової зображення, вкладається нема на одиницю довжини, а на висоту растра.
Ці величини прийнято вимірювати не в міліметрах, а числом рядків розкладання. Причому числом активних рядків Zа. припадають лише на час прямого ходу кадрової розгортки (на висоту растра), рядків розкладання.
Одиницею вимірювання просторової частоти при цьому є телевізійна лінія (твл).
Вертикальна (поперечна) роздільна здатність обмежується числом горизонтальних рядків розкладання. Для існуючого стандарту при числі рядків Z = 625, число активних рядків Zа = 575, чому відповідає максимальне вертикальне дозвіл, рівне 430 твл.
Для виключення залежності роздільної здатності від відстані спостереження, необхідно розглядати зображення горизонтальних смуг таблиці на порівняно близькій відстані.
При реальному практичному спостереженні слід обмежитися для вертикального дозволу 400 твл.
У реальних умовах, якщо відомий характер об'єкта, можна при проектуванні системи заздалегідь визначити умови виявлення чи розпізнавання дрібних деталей зображення за кількістю ліній.
Експериментально встановлене число помітних елементів, що припадають на вертикальний розмір виявленої деталі, наступне:
- обличчя людини може бути упізнано при - 30 помітних елементів.
- автомобіль в русі - при 3.
- автомобіль в нерухомому стані - при 8.
Загальні рекомендації:
- виявлення об'єкта вимагає приблизно 2-3 твл, що припадають на його мінімальний розмір;
- розрізнення - 8 твл;
- упізнання - 12,8 твл.
Таким чином, чим більше деталь, тим менша роздільна здатність системи потрібно для її виявлення чи розпізнавання.
Беручи до уваги формат телевізійного кадру 4: 3 (відношення ширини до висоти), і те, що вертикальне дозвіл на практиці дорівнює 400 твл. а максимальне - 430 твл. визначимо максимальне число вертикальних ліній - горизонтальне дозвіл в телевізійних лініях (ТВЛ).
Практично, щоб побачити 570 твл на випробувальній таблиці, необхідна смуга пропускання пристрою передачі не менше 7 МГц. Інша справа, що такий дозвіл не завжди потрібно.
Далі наведемо практичні дані для необхідної смуги частот в залежності від заданого дозволу.
Відомо, що у формуванні фронтів і спадів імпульсів особливу роль грають гармоніки вищого порядку, не дивлячись на те, що їх амплітуда виявляється значно нижче амплітуд перших гармонік.
Для оцінки необхідної смуги частот можна використовувати такі практичні співвідношення:
- чорно-біле зображення з роздільною здатністю 380 твл - допустима смуга пропускання до 5 МГц;
- кольорове зображення з роздільною здатністю 380 твл - необхідна смуга пропускання до 6 МГц;
- чорно-біле зображення з роздільною здатністю 480 твл - необхідна смуга пропускання до 6 МГц.
Наведемо один абзац, який, будучи неправильно зрозумілим, може привести до великих помилок.
Всі недоліки системи передачі неминуче позначаться на формі сатиричного синхроимпульса, за яким можна судити про якість системи передачі в цілому.
На другий осциллограмме видно, що плоска вершина синхроимпульса має скіс «по типу диференціювання». Це явище називається перекоррекція.
При цьому відбувається завищення амплітуд високочастотних гармонік, що викликає додатковий викид, як на фронті сатиричного синхроимпульса, так і на передньому фронті імпульсу, що гасить. Це неминуче призводить до збоїв в роботі цифрових пристроїв. Спостерігається «переконтраст» зображення.
На третій осциллограмме спостерігається скіс сатиричного синхроимпульса «по типу інтегрування».
Це явище називається недокоррекція.
Недокоррекція не викликає зривів рядкової синхронізації при роботі на цифрові пристрої, але робить зображення розмитим. не дозволяє розрізнити дрібні деталі, знижує контрастність зображення.
При недокоррекціі знижується роздільна здатність і пов'язана з нею видима чіткість зображення.