Восстановление постоянной составляющей видеосигнала

Телевизионный сигнал, точно отра­жающий изменения яркостей передаваемого объекта, содержит постоянную составляющую. Ее изменение при смене сюжетов про­исходит сравнительно медленно с частотой 0—3 Гц. Учитывая на­личие таких частот, необходимо было бы усиливать телевизионный сигнал при помощи усилителей постоянного тока. Более рациональным оказался метод косвенной передачи постоянной состав­ляющей с восстановлением ее в нужном месте тракта передачи при помощи так называемых фиксирующих схем [7].

Рис. 10.1. Формы телевизионного сигнала: а) и б) с постоянной составляющей; в) и г) без постоянной составляющей

На рис. 10.1,а и б изображены видеосигналы отдельной строки, образующиеся при передаче изображения двух вертикальных бе­лых полосок на черном фоне 1 и двух черных полосок на белом фоне 2. Постоянные составляющие и отсчитываются от го­ризонтальной оси до пунктирных линий M'N' и M"N". Пунктирные линии проведены на уровнях средних (за период T_стр) значений и .

При усилении видеосигнала постоянная составляющая обычно теряется, так как в видеоусилителях между каскадами включают­ся разделительные конденсаторы. Осциллограммы сигналов без постоянной составляющей

— и — изображены на рис. 10.1,в и г. Средние за период Т_стр значения сигналов равны нулю, так как «площади» осциллограмм, приходящиеся на положи­тельные и отрицательные значения напряжения и отмеченные со­ответственно двойной и одинарной штриховкой, равны. Следует отметить, что при потере постоянной составляющей, как видно из рис. 10.1 в и г, уровням белого и черного соответствуют разные напряжения.

Воспроизведение изображения на экране кинескопа при помо­щи видеосигнала без постоянной составляющей приводит к иска­жениям изображения. На рис. 10.2 представлена модуляционная характеристика

Рис. 10.2. Воспроизведение изображения на экране кинескопа

кинескопа: зависимость яркости свечения экрана от на­пряжения u_м на управляющем электроде (модуляторе). Предпо­ложим, что на модулятор поступает видеосигнал, соответствую­щий изображению 1. Регулировками «Яркость» и «Контрастность» телевизионного приемника установим режим, соответствующий условиям оптимального наблюдения изображения (Максимальная контрастность и яркость). При этом рабочий участок световой ха­рактеристики кинескопа будет использован полностью: уровню бе­лого будет соответствовать В_макс, а уровню черного — В_мин. Не меняя положения регуляторов, подадим на кинескоп видеосигнал, соответствующий изображению 2. Так как постоянная составляю­щая отсутствует, воспроизведение этого сигнала произойдет с ис­кажениями. Белым деталям передаваемого оригинала будут соот­ветствовать серые детали на экране кинескопа, часть видеосигнала, попавшая за линию отсечки, на экране вообще не воспроизве­дется. При передаче реальных изображений, содержащих все гра­дации яркости, потеря постоянной составляющей приведет к не­линейным (градационным) искажениям.

Для правильного воспроизведения изображения 2 необходимо уменьшить напряжение смещения на модуляторе кинескопа до та­кой величины, чтобы совместились уровни черного и белого обоих сигналов. Такое изменение в процессе телевизионной передачи мо­жет быть выполнено автоматически при помощи схемы восстанов­ления постоянной составляющей.

Принцип работы схемы восстановления постоянной составля­ющей заключается в фиксации положения гасящих импульсов на заданном уровне. Действительно, воспроизведение изображения на экране кинескопа будет правильным, если независимо от ве­личины постоянной составляющей положение уровня белого или черного в видеосигнале окажется фиксированным относительно световой характеристики кинескопа. Однако фиксация сигнала по уровням черного или белого не всегда выполнима, поскольку часть строк развертываемого изображения может не содержать белых или черных деталей. Гасящие импульсы больше подходят для этой цели, так как они всегда присутствуют в видеосигнале. Фиксация по вершинам гасящих импульсов обеспечивает восстановление постоянной составляющей, если их положение относительно уров­ней белого или черного в видеосигнале не изменяется в процессе передачи.

Передающие телевизионные системы мгновенного действия (бе­гущий луч, диссектор), а также передающие трубки с накоплением заряда (видикон, плумбикон и суперортикон) при работе на ли­нейном участке световой характеристики образуют видеосигнал, в котором уровень черного совпадает с положением вершин гася­щих импульсов или отличается от него на некоторую величину, не изменяющуюся в процессе передачи. Это свойство телевизионного сигнала позволяет восстановить постоянную составляющую при помощи простейшей (неуправляемой) фиксирующей схемы, изоб­раженной на рис. 10.3,а.

Неуправляемая фиксирующая схема состоит из диода Д, ре­зистора R и конденсатора С. Телевизионный сигнал поступает от источника, представленного на рис. 10.3,а эквивалентным генера­тором с внутренним сопротивлением R_i. Процесс фиксации уровня поясняется на рис. 10.3,б. При подаче первого импульса на вход схемы через конденсатор С и диод Д протекает ток i₃ и на конден­саторе накапливается некоторый заряд. В паузе между двумя им­пульсами диод закрывается и конденсатор С разряжается током, протекающим через резисторы R, R_i и источник сигнала. Постоян­ная времени цепи разряда, равная τ_р= (R + R_i)C, обычно значи­тельно превышает постоянную времени цепи заряда τ₃= (R_д+R_i)C, так как сопротивление диода R_д в прямом направлении не превы­шает нескольких десятков ом, а сопротивление резистора R (с па­раллельно подключенным закрытым диодом) измеряется сотнями килом, то есть τ_р>>τ₃. По этой причине разряд в паузе между импульсами проис­ходит медленно и конденсатор С теряет лишь незначительную часть заряда. Каждый новый импульс добавляет новую «порцию» энергии в конденсатор С, в результате чего напряжение на нем непрерывно возрастает и осциллограмма выходного напряжения постепенно смещается влево. Через некоторое количество перио­дов вершины импульсов зафиксируются на нулевом уровне. Ве­личина постоянной составляющей, действующей.на выходе схемы при подаче сигнала 1, равна . Если теперь на вход фиксиру­ющей схемы подать сигнал 2, то в течение нескольких периодов, будет происходить разряд конденсатора С, пока «вершины импуль­сов вновь не зафиксируются на нулевом уровне.

В установившемся режиме на выходе схемы образуется постоянная составляющая . Недостатком схемы является неодинаковая скорость сра­батывания при уменьшении и увеличении постоянной составляю­щей видеосигнала. При увеличении постоянной составляющей (сигнал 1) происходит заряд конденсатора, при уменьшении (сиг­нал 2) — разряд. Так как τ_р>τ₃, процесс уменьшения постоянной составляющей на выходе схемы до

Рис. 10.3. Неуправляемая фиксирующая цепь: а) принципиальная схема; б) процесс фиксации уровня

протекает значительно медленнее, чем процесс ее увеличения; это видно из рис. 10.3,б (участок аб и ед). Другим недостатком неуправляемой фиксирую­щей схемы является искажение формы видеосигнала (перекос вершины импульсов), рис. 10.3,б.

Лучшими показателями обладают управляемые схемы фиксации [5]. Простейшая подобная схема содержит полевой транзистор VT3, работающий в ключевом режиме (рис. 10.4). Напряжение на истоке VT3 образуется на делителе R1R2R3 от источника питания Е_к. На­пряжение на резисторе R2 является напряжением фиксации и запи­рает транзистор VT3 в промежутках между управляющими импуль­сами. Управляющие импульсы положительной полярности поступа­ют на затвор транзистора VT3 и отпирают его во время обратного хода строчной развертки.

Повышение стабильности уровня фиксации и уменьшение инер­ционности схемы достигаются уменьшением постоянной времени за­ряда из-за малого сопротивления сток-исток открытого

Рис. 10.4. Упрощенная схе­ма фиксации на транзисторе

транзистора R_си0. Конденсатор С_р во время активной части строки Т_стр - t_и разряжается через входное сопротивление R_вх2 последующего каскада и выходное R_вых1 предыдущего. Для повыше­ния τ_р (за счет R_вх2) и предотвращения спада яркости вдоль строк в качестве следующего каскада целесообразно использовать эмиттерный или истоковый повторитель на полевом транзисторе с высоким входным сопротивлением.

Фиксирующие схемы используют не только для восстановления постоянной составляющей телевизионного сигнала. Их применяют для уменьшения его низкочастотных искажений (рис. 10.4) и умень­шения уровня аддитивных низкочастотных помех, т.е. помех, кото­рые линейно суммируются с ТВ сигналом (рис. 10.6,а,б).Однако если сигнал промодулирован помехой, то устранить ее этим мето­дом невозможно (рис. 10.6,в,г).

С помощью фиксации уровня черного удается использовать в тракте усилительные приборы меньшей мощности, а также снизить нелинейные искажения сигнала, так как сокращается динамический диапазон изменения уровней входного сигнала: при отсутствии фик­сации линейный участок входных характеристик усилительного кас­када должен примерно в два раза превышать значение размаха сиг­нала , а при наличии фиксации линейный участок может быть равен величине . Фиксация уровня сигнала необ­ходима

Рис. 10.5. Коррекция низкоча­стотных искажений ТВ сигнала с помощью фиксирующих схем: а — неискаженный сигнал; б — сиг­нал с утраченными низкочастот­ными составляющими; в — сиг­нал после фиксации уровня черного

Рис. 10.6. Изменение отноше­ния сигнал/фоновая помеха по­сле фиксации уровня черного: а — сигнал , линейно сложен­ный с помехой ; б — сигнал после фиксации уровня черного; в — сигнал . промодулированный помехой ; г — сигнал после фиксации уровня черного

также при ограничении уровней черного и белого, коррекции полутоновых искажений, модуляции несущей частоты полным цве­товым ТВ сигналом и т.п.

Управляемая фик­сирующая схема обеспечивает быстрое восстановление уровня фик­сации при изменении постоянной составляющей как в сторону уве­личения, так и уменьшения. Постоянные времени цепей заряда и разряда одинаковы. Для обеспечения быстродействия схемы жела­тельно иметь минимальное внутреннее сопротивление источника сигнала. C этой целью VT₁ (рис.10.4) включен по схеме эмиттерного повтори­теля. Важным достоинством управляемой фиксирующей схемы яв­ляются значительно меньшие искажения формы фиксируемого сигнала, так как в паузах ключ VT₃ закрыт и разряд С возмо­жен лишь на большое обратное сопротивление ключи VT₃ и входное сопротивление VT₂. Для увеличения входного сопротивления VT₂ включается по схеме с заземленным коллекторам.

Управляемые фиксирующие схемы нашли широкое применение в аппаратуре телевизионных центров. Они включаются в состав промежуточного, линейного усилителей, в состав усилителей видео­контрольных устройств, на входе модулятора радиопередатчика и других блоков.

Схемы восстановления постоянной составляющей применяются также при замене всеми в видеосигнал синхронизирующих и гасящих сигналов, при коррекции нелинейных искажений (гамма-коррекция) на входе АЦП, частотного модулятора СЦТ SECAM, перед подачей видеосигнала на кинескоп (если постоянная составляющая была потеряна в усилительном тракте телевизора), в системах прикладного телевидения и т. д.

Контрольные вопросы

1.Характер искажений телевизионного изображения при потере постоянной составляющей видеосигнала.

2.Принцип работы неуправляемой и управляемой схем фиксации. Требования к элементам схем.

3.Влияние схем фиксации на низкочастотные помехи:

1) сложенные с видеосигналом, 2) промодулировавшие видеосигнал.

4.Из каких соображений рассчитывается величина разделительной ёмкости в схеме восстановления постоянной составляющей (ВПС)?

5.В каких точках ТВ тракта используются схемы ВПС?

6.Как визуально сказывается на качество изображения отсутствия постоянной составляющей?

7.Почему для сохранения постоянной составляющей в видеосигнале не используются усилители постоянного тока?

8.Одинакова ли величина разделительных емкостей при наличие и отсутствии фиксирующих схем в усилительном ТВ тракте?