Добавлен: 08.07.2023
Просмотров: 53
Скачиваний: 5
Применительно к цветному телевидению описанные опыты позволили получить полезные количественные соотношения и сделать следующие выводы:
Очень мелкие детали изображения воспроизводятся с помощью частот, лежащих в пределах от 3 до 6 МГц; мелкие детали воспроизводятся с помощью частот от 1 до 3 МГц; средние детали – от 0,5 до 1 МГц;
Ощущение цвета мелких синих деталей исчезает при частотах спектра fBmax = 0,5 – 0,6 МГц;
Частота, при которой видимая насыщенность мелких красных деталей (т.е. ощущение красного цвета) снижается до нуля, fRmax =1,3 – 1,5МГц;
Мелкие детали зелёного цвета будут достаточно насыщенными до fGmax ≈ 6 МГц.
Это позволяет сделать заключение о том, что в цветном телевидении нет необходимости передавать в полной полосе все три цветовые сигнала. Передача в цветном виде точек, штрихов и полосок в изображении, для которых требуются высокочастотные составляющие ТВ-спектра (для мелких синих деталей – более 0,6 МГц, а для красных мелких деталей – более 1,5 МГц), является избыточной, т.к. зрение человека не в состоянии в обычных условиях различать цвет таких деталей. Это обстоятельство позволяет при передаче сигналов цветного телевидения значительно сократить объём передаваемой информации, т.е. сократить полосу частот ТВ-сигнала, передаваемого по каналу связи.
Выигрыш в полосе частот от ограничения передаваемой информации иллюстрируется спектральных составляющих сигналов ЕR и ЕB.ширина спектра FПОЛН. = 6 + 1 + 1,5 + 1 + 0,5 = 10 МГц, т.е. в два-три раза меньше чем в случаях воспроизведение мелких деталей в ТВ-изображении необходимо в любой вещательной системе для получения чёткости изображения. Казалось бы, резкое сокращение спектра ТВ-сигнала на красных и синих участках приведёт к резкому снижению чёткости. Однако это не так, потому что сигнал яркости ЕY передаётся в полной полосе частот, т.е. содержит информацию обо всех мелких деталях, которая и воспроизводится как на экранах чёрно-белых телевизоров, так и на цветных экранах в чёрно-белом виде.
Для подтверждения, сказанного можно вспомнить, как выглядят рисунки (не фотографии) в журналах и книгах. Обычно на этих рисунках крупные, средние и не очень мелкие детали художник добросовестно раскрашивает.
А вот тонкие штрихи (так называемый «абрис» - контур предмета), точки, узкие полоски и т.п. изображаются обычно в чёрно-белом виде. При этом рисунок остаётся цветным и вполне чётким.
Таким образом, мы видим, что передавать по каналу связи цветное изображение с помощью сигналов основных цветов практически невозможно, т.к. полная полоса частот оказывается в несколько раз шире стандартной, принятой в чёрно-белом телевидении. Следовательно, нужно было сокращать полосу частот, необходимую для передачи цветного изображения. При этом сигнал яркости должен передаваться в стандартной полосе частот 6 МГц. Как уже было сказано, для радикального сокращения полосы частот полного ТВ-сигнала из его спектра был исключён сигнал ЕG как наиболее широкополосный. Кроме того, исследования показали, что в цветном телевидении нет смысла передавать мелкие детали красного и синего цвета в полной полосе частот этих сигналов. В результате полоса частот цветного ТВ-сигнала сократилась до FПОЛН. = 10 МГц. Однако и такая полоса частот оказалась чрезмерно большой, не укладывающейся в стандартный канал чёрно-белого телевидения и поэтому не отвечающей условию совместимости. Дальнейшая возможность сокращения этой полосы основывается на специфической особенности ТВ-спектра – его линейчатости.
Линейчатость спектра телевизионного сигнала
Характерной особенностью ТВ-спектра в отличие, например, от спектра звукового сигнала является его линейчатость. Это значит, что в границах частот от fН = 50 Гц до fВ = 6 МГц присутствуют не все частоты, а только составляющие, кратные кадровым и строчным частотам. Это дало возможность весьма существенно уплотнить в частотном отношении спектр частот цветного ТВ-сигнала и таким образом решить проблему полной совместимости цветного и чёрно-белого телевидения.
Известно, что любой периодический сигнал можно представить в виде суммы гармонических составляющих, с частотами, кратными частоте повторения сигнала:
∞
U(t) = U0 / 2 + Σ Un ∙ Sin(ωnt + φn) ………………….. (2.5), n = 0
где U0 / 2 – постоянная составляющая сигнала, соответствующая средней яркости изображения;
Un – амплитуда n-ной гармонической составляющей спектра;
ωn = 2πfn = 2πf1n – круговая частота n-ной гармоники;
f1 – частота первой гармоники ряда Фурье;
φn – начальная фаза n-ной гармоники.
Гармонические составляющие называются спектральными составляющими, а само представление сигнала в виде выражения (2.5) на частотной оси называется спектральным разложением (спектром) сигнала U(t). Условный спектр сигнала чёрно-белого изображении
Особенности спектра сигнала чёрно-белого изображения:
Амплитуда спектральных составляющих сигнала убывает с ростом частоты;
Спектр сигнала изображения имеет дискретную структуру. Он содержит гармоники kFС (где k = 1, 2, 3 ….; FС – частота повторения строк). Вокруг каждой гармоники kFС справа и слева группируются составляющие с частотами, отстоящими от неё на величину ± mFП (где m = 1,2,3 ….; FП – частота повторения полей). Таким образом, спектр сигнала изображения состоит как бы из «сгустков» энергии на частотах, кратных частоте строк. Такая структура обусловлена периодичностью сигнала изображения с частотой строк и полей.
Спектр сигнала изображения имеет составляющую с нулевой частотой (постоянную составляющую), пропорциональную средней яркости изображения.
Для воспроизведения формы сигнала изображения достаточно передать составляющие спектра сигнала от нулевой частоты до fmax = ∆F = 6МГц.
Здесь обращает на себя внимание то обстоятельство, что на гармониках строчной частоты FС , 2FС , 3FС …. имеет место увеличение амплитуд составляющих, а между этими составляющими энергия спектра довольно резко падает. Спектральная картина для произвольно движущегося изображения в принципе останется подобной спектру. Но в этом случае существует различие, заключающееся в том, что около каждой спектральной линии – гармоники кадра – появляются боковые полосы частоты (верхняя и нижняя), не являющиеся гармониками строк и кадров. При передаче движущегося объекта содержание каждого последующего изображения от кадра к кадру мало отличается от предыдущего, т.к. скорость смены кадров значительно больше скорости перемещения объекта по экрану. Однако перемещение объекта от кадра к кадру изменяет во времени амплитуды и фазы спектральных составляющих. Это приводит к тому, что вокруг каждой спектральной линии появляются составляющие, настолько близко расположенные друг к другу, что спектральная линия вместе с этими составляющими образует непрерывный (сплошной) спектр, форма которого похожа на лепесток (рис.2.8в). Ширина таких «лепестков» будет тем больше, чем больше скорость движения деталей передаваемого изображения.
Появление боковых полос сплошного спектра можно объяснить также и тем, что каждый кадр является совокупностью случайных сигналов изображения, передаваемых в строках. Спектр случайного сигнала, как известно, является сплошным.
Исследования и расчёты показали, что ширина лепестков сплошного спектра для движущегося изображения не превышает (4 ÷ 6) Гц. Следовательно, между каждыми двумя смежными гармониками даже в случае быстрого движения объекта остаётся промежуток, равный 50 – 6 = 44 Гц. Отсюда возникает идея заполнения этих промежутков спектральными составляющими дополнительных сигналов. Во всех современных совместимых системах вещательного телевидения используется метод взаимного уплотнения сигналов цветности и яркости за счёт линейчатости спектра.
Цветоразностные сигналы
Как было сказано, одним из свойств сигналов основных цветов является их униполярность. Смысл этого свойства заключается в том, что электрические сигналы, получаемые при преобразовании сигналов изображения в передающих трубках, не могут иметь отрицательной полярности, т.к. яркость как физическая величина не может быть отрицательной: она либо положительна, либо равна нулю. Именно это свойство сигналов основных цветов не позволяет решить проблему совместимости чёрно-белого и цветного изображения, т.к. они имеют ту же природу, что и сигналы яркости. Иными словами, различить электрические сигналы яркости и сигналы основных цветов практически невозможно: и те, и другие являются сигналами, спектр которых расположен в одном частотном диапазоне.
Единственным способом их разделения является частотный способ разделения спектров этих сигналов.
Решение этой проблемы привело к замене сигналов основных цветов (ЕR, ЕG, ЕB) искусственно создаваемыми цветоразностными сигналами.
Во всех стандартных системах цветного телевидения вместо сигналов основных цветов ЕR и ЕB используются ЦРС. Эти сигналы обозначаются символами R – Y, B – Y или ER–Y , EB–Y и получаются путём электрического вычитания из сигналов основных цветов сигнала яркости:
ЕR – Y = ЕR – ЕY; ЕG – Y = ЕG – ЕY; ЕB – Y = ЕB – ЕY …….. (2.6).
Вычитание из сигналов основных цветов сигнала яркости формально означает, что ЦРС содержат информацию только о цветовом тоне, но не о яркости
Свойства цветоразностных сигналов:
Цветоразностные сигналы могут быть выражены через сигналы основных цветов. Учитывая выражения (2.4) и (2.6), имеем
ЕR – Y = 0,7ЕR – 0,59ЕG – 0,11ЕB
ЕB – Y = – 0,3ЕR – 0,59ЕG + 0,89ЕB …………} (2.7);
ЕG – Y = – 0,3ЕR + 0,41ЕG – 0,11ЕB
2. При передаче чёрно-белого изображения все ЦРС равны нулю;
Действительно, в этом случае ЕR = ЕG = ЕB = 0. Тогда, как следует
из (2.7):
ЕR – Y = ЕG – Y = ЕB – Y = 0
3. Любой ЦРС может быть получен из двух других. Например, выразим ЕG – Y через ER – Y и EB – Y. Для этого представим ЕY в виде ЕY = 0,3ЕY + 0,59ЕY + 0,11ЕY. В то же время из равенства (2.4) следует, что ЕY = 0,3ЕR – Y + 0,59ЕG – Y + 0,11ЕB – Y.
Приравняв правые части последних двух выражений друг другу и произведя простые вычисления, получим: ЕG –Y = – 0,51ЕR – Y – 0,19ЕB – Y.
Аналогичным образом можно выразить и любой ЦРС через два других.
4. При передаче информации о цвете можно в принципе выбирать любую пару ЦРС. На практике выбирают пару ЕR – Y и ЕB – Y. Это объясняется тем, что для большинства сюжетов уровень сигналов ЕR – Y и ЕB – Y оказывается большим, чем уровень сигнала ЕG – Y. Поэтому при использовании сигналов ЕR – Y и ЕB – Y обеспечивается большая помехоустойчивость ТВ-приёмника.
5. При изменении яркости изображения в А раз сигналы ЕY, ЕR – Y, ЕB – Y
также изменяются в А раз. Это следует из выражений (2.4) и 2.6.
6. Отношение ЦРС ЕR – Y: Е B – Y не изменяется при изменении яркости
изображения. Это соотношение определяет цветовой тон.
7. Сигналы ЕR – Y и ЕB – Y могут принимать как положительные, так и отрицательные значения. Последнее свойство позволяет решить проблему совместимости чёрно-белого и цветного телевидения. Эта проблема решается переносом цветоразностных сигналов в высокочастотную область спектра яркостного сигнала с помощью частотной модуляции. Частотной модуляции подвергаются две так называемые «поднесущие частоты», одна из которых модулируется сигналом ЕR – Y, а другая – сигналом ЕB – Y. В качестве поднесущих частот в системе SECAM выбраны f0R = 4,406 МГц для «красной» строки и f0B = 4,25 МГц для «синей» строки. При ЕR – Y = 0 и EB – Y = 0 поднесущие частоты сохраняют свои номинальные значения. При изменении ЦРС в сторону положительных значений поднесущая частота отклоняется от номинального значения в большую сторону, а при изменении ЦРС в сторону отрицательных значений – в меньшую. Отклонение поднесущей частоты в любую сторону называется «девиацией частоты». Из теории частотной модуляции известно, что девиация тем больше, чем больше по модулю амплитуда модулирующего напряжения. Закон изменения модулирующего напряжения определяет закон девиации поднесущей. Следовательно, при частотной модуляции изменяется как величина, так и знак девиации поднесущей. При демодуляции (частотном детектировании) сигналов цветности на приёмной стороне однозначно определяется как амплитуда, так и полярность ЦРС.
Достоинства цветоразностных сигналов:
на чёрно-белых и серых местах изображения ЦРС равны нулю, что устраняет на экране кинескопа мелкоструктурную сетку, возникающую от поднесущей частоты.
Цветоразностными сигналами позволяет восстановить составляющую ЕG, необходимую для нормальной работы цветного телевизора.
переход к цветоразностным сигналам позволяет объединить сигналы яркости и цветности при формировании полного цветового телевизионного сигнала (композитного сигнала) на передающей стороне ТВ-системы и разделить их с помощью частотных фильтров на приёмной стороне. Именно этот эффект позволяет решить проблему совместимости чёрно-белого и цветного телевидения.
При частотной модуляции, кроме поднесущей, появляются две боковые полосы частот, ширина которых определяется полосовыми фильтрами. Поднесущая и обе боковые полосы размещаются в высокочастотной области спектра яркостного сигнала. В этой области спектра специальными мерами обеспечивается минимальное взаимное влияние частотных составляющих яркостного сигнала и сигналов цветности. Одной из таких мер является +
В камере цветного телевидения, содержащей три передающих трубки, формируются три основных цветовых сигнала ЕR, ЕG и ЕB. Эти сигналы поступают на вход матрицы М, на выходе которой формируются три сигнала: ЕY, ЕR – Y и ЕB – Y . Сигнал яркости ЕY занимает полную полосу частот от 50 Гц до 6,0 МГц. Спектры ЦРС ЕR – Y и ЕB – Y ограничиваются сверху фильтрами ФR – Y и ФB – Y для дальнейшего уплотнения спектра сигнала яркости. В системе SECAM, например, спектр этих двух ЦРС выбирается от 50 Гц до 1,5 МГц для каждого. Затем производится частотное уплотнение спектра сигнала яркости этими цветоразностными сигналами. Принцип работы матричной схемы, состоящей фактически из трёх матриц, показан на упрощённой схеме
На входы матрицы R, G и B подаются сигналы основных цветов ЕR ЕG и ЕB с ТВ-трубок. Группа резисторов R2, R4 , R5 и R6 образует формирователь сигнала яркости ЕY в соответствии с выражением (2.4). Фазоинвертор ФИ изменяет полярность сигнала ЕY. Формирователь R1, R7, R9 создаёт ЦРС ER – Y, а формирователь R3, R8, R10 – ЦРС ЕB – Y. С выхода фильтров ЦРС подаются на частотные модуляторы, в которых ЦРС модулируют по частоте поднесущие частоты, после чего эти сигналы, называемые сигналами цветности, складываются с сигналом яркости и оказываются размещёнными с ним в одном спектре.