Нелинейные искажения телевизионного сигнала

На число воспроизводимых градаций яркости на ТВ экране влияет нелинейность амплитудной характеристики канала связи от «света до света». В цветном телевидении нелинейность амплитудной характеристики влияет также и на правильность цветовоспроизведения. Нелинейными элементами в канале связи считаются преобразователи «свет - сигнал» и «сигнал - свет». Остальные элементы тракта передачи будем считать в первом приближении линейными.

Рассмотрим более подробно влияние этих факторов на качество изображения.

Нелинейные искажения телевизионного сигнала возникают в фотоэлектронных и электронно-оптических преобразователях из-за нелинейности световой и модуляционной характеристик соответственно, а также в электрическом канале передачи (модуляторе передатчика, каскадах видеоусилителя и др.).

На практике эти искажения определяются главным образом нелинейными характеристиками оконечных устройств – передающими и приемными трубками.

Световая характеристика передающей трубки определяется зависимостью тока сигнала от освещенности на фотокатоде I_c = f(E) или, учитывая, что I_c≡U_c , a E≡В_об , световую характеристику передающей трубки часто выражают следующим соотношением: U_c=φ(В_об),

где U_c - напряжение сигнала, В_об - яркость передаваемого объекта.

Световая характеристика передающих трубок нелинейна и в общем случае с достаточной для практики точностью может быть аппроксимирована выражением: U_c = k₁В_об ^γ1, (2.25)

где k₁ - коэффициент пропорциональности, γ₁ - показатель степени, определяющий форму световой характеристики.

Световые характеристики различных передающих трубок имеют не одинаковые значения γ₁ . Более того, значение γ₁ может в некоторых пределах меняться при изменении режима работы трубки или содержания передаваемого изображения. Однако для всех передающих трубок γ₁≤1.

Модуляционная характеристика кинескопа представляет собой зависимость яркости свечения экрана от напряжения на модулирующем электроде и выражается зависимостью: В_из=φ(U_c),

где В_из- яркость изображения.

Как известно, модуляционная характеристика кинескопа нелинейна и может быть аппроксимирована с достаточной для практики точностью следующей функцией: В_из= k₂U_c ^γ2 , (2.26)

где k₂ – коэффициент пропорциональности.

Обычно для приемных трубок γ₂=2...3. Общая характеристика нелинейности может быть определена аналитически путем подстановки значения U_c из (2.25) в (2.26):

В_из= k₂(k₁В_об ^γ1)^γ2= kВ_об ^γ, (2.27)

где k = k^γ2 k₂; γ=γ₁γ₂.

Из (2.27) видно, что результирующий гамма-коэффициент нелинейности γ равен произведению показателей степени γ₁ и γ₂ . Если телевизионный канал имеет нелинейную характеристику с показателем γ₃ , то в результирующее значение γ должна войти и эта величина, т. е. . γ=γ₁γ₂γ₃. Следовательно, показатель степени γ определяет результирующую нелинейность и может приобретать различные значения в зависимости от нелинейности отдельных узлов тракта.

Нелинейные искажения в черно-белом телевидении приводят к нарушению правильного воспроизведения градаций яркости (передачи полутонов), а в цветном, кроме того, и к искажениям цветности. Если результирующая нелинейность телевизионного тракта будет иметь показатель степени γ <1, то изображение на экране кинескопа воспроизведется вялым, т. е. контрастность полученного изображения будет меньше контрастности передаваемого объекта, а при γ >1 изображение будет излишне контрастным по сравнению с контрастностью передаваемого объекта.

Яркость реальных объектов может достигать нескольких тысяч кандел на квадратный метр, а контраст – 1000 и выше. Современные же кинескопы могут обеспечить максимальную яркость 100–200 кд/м² при контрасте 100–200. Следовательно, динамический диапазон яркости репродукции в общем случае меньше диапазона изменения яркости передаваемого объекта. Таким образом, при воспроизведении число градаций на репродукции будет меньше, чем на объекте. При ограниченном числе воспроизводимых градаций с целью улучшения качества изображения необходимо перераспределить число воспроизводимых градаций внутри динамического диапазона яркости изображения так, чтобы увеличить число градаций в сюжетно важном участке диапазона за счет уменьшения числа градаций в остальных участках. Это может быть осуществлено с помощью выбора определенной формы нелинейности амплитудной характеристики передачи.

Рассмотрим графически искажения градаций яркости изображения при коэффициенте γ >1. Для удобства количественной оценки нелинейных искажений на вход исследуемого устройства подают напряжение равноступенчатого сигнала.

Для упрощения построения графиков обычно по оси абсцисс и ординат откладывают не абсолютные значения яркости объекта и изображения, а их относительные значения.

На рис. 2.21 показано графически возникновение нелинейных искажений при коэффициенте γ >1. Нетрудно видеть, что нелинейные искажения будут присутствовать при любых значениях γ ≠1. В частном случае при γ = 2 , как видно из рис. 2.21, перепады яркостей первых нескольких ступенек будут практически неразличимы, и они сольются. Следовательно, количество видимых градаций уменьшается.

рис.2.21.Влияние нелинейных искажений на форму видео сигнала

В черно-белых телевизионных системах сюжетно важными полутонами являются полутона крупных деталей в области больших освещенностей. Исходя их этого для этих систем форма характеристики должна иметь нелинейность с коэффициентом контрастности γ >1. При этом в области белого перепады яркости растягиваются (увеличиваются по амплитуде), и там может воспроизводиться большее число градаций. Экспериментальным путем установлено, что наилучшее качество изображения для черно-белых вещательных систем получается при γ ≡1,3.

Для обеспечения подобия воспроизведенного изображения с объектом необходимо иметь прямую пропорциональность между яркостями соответствующих точек объекта и изображения. Для коррекции полутоновых искажений изображений, т. е. получения определенной формы нелинейной амплитудной характеристики, в телевизионный тракт вводится нелинейный корректор с амплитудной характеристикой, описываемой выражением:

U_вых= kU_вх ^γк,

где γ_к– показатель степени, определяющий форму нелинейности амплитудной характеристики корректора.

В этом случае результирующий коэффициент нелинейности телевизионного тракта «от света до света» будет определяться так:

γ=γ₁·γ₂·γ₃∙γ_k . (2.28)

Из соотношения (2.28) видно, что для получения линейной амплитудной характеристики всего телевизионного тракта необходим корректор с коэффициентом нелинейности:

Выбор оптимального значения γ_к осложняется тем, что модуляционные характеристики кинескопов имеют довольно большой разброс коэффициентов нелинейности, а нелинейность световой характеристики передающих трубок кроме этого зависит от содержания изображения.

Принцип работы схемы корректора нелинейности (гамма-корректора) поясняется на рис. 2.22. Он основан на применении нелинейных элементов с таким расчетом, чтобы, регулируя их, можно было менять гамма-характеристику в желаемых пределах. Сигнал передаваемого изображения, искаженный нелинейной характеристикой телевизионного тракта (рис. 2.22, а) (сигнал с неравномерными перепадами напряжений), поступает на вход гамма-корректора, нелинейная характеристика (рис. 2.22, б) которого рассчитана так, что сигнал на выходе (рис. 2.22, в) получается необходимой формы.

рис. 2.22.Принцип работы гамма-корректора

Схемы гамма-корректоров строятся на разных принципах, однако наибольшее распространение получили гамма-корректоры, в которых требуемая форма амплитудной характеристики получается за счет изменения амплитудно-зависимой отрицательной обратной связи, нелинейного изменения сопротивления нагрузки или амплитудно-зависимого делителя сигнала изображения.

Для работы гамма-корректора необходимо, чтобы уровни сигналов, соответствующие одинаковым яркостям изображения, всегда располагались на одних и тех же нелинейных участках характеристики корректора. Для этого в телевизионном сигнале, поступающем на нелинейный элемент корректора, должна быть восстановлена постоянная составляющая, т. е. фиксирован уровень черного сигнала изображения.

В качестве нелинейных элементов в схемах гамма-корректоров обычно используются полупроводниковые диоды, имеющие нелинейные вольтамперные характеристики. Для получения достаточно больших значений нелинейности диоды иногда включают последовательно или параллельно.

В качестве примеров рассмотрим два вида корректоров, используемых на практике.

рис. 2.23.Принципиальная схема гамма-корректора

На рис. 2.23 изображена упрощенная схема гамма-корректора, в которой использован принцип амплитудно-зависимой отрицательной обратной связи. Величина отрицательной обратной связи меняется нелинейно в зависимости от мгновенного значения телевизионного сигнала, подаваемого на затвор полевого транзистора VT. В цепи затвора VT производится восстановление постоянной составляющей сигнала (ВПС). Диоды VD₁ и VD₂ , включенные в цепь истока, заперты напряжениями U₁ и U₂ до тех пор, пока на затвор VT не поступит сигнал. При определенной амплитуде сигнала сначала отпирается диод VD₁ , и сопротивление в цепи истока уменьшается от величины R₂ до значения:

Для упрощения будем считать, что VD₁ и VD₂ в запертом состоянии обладают бесконечно большим сопротивлением, а доля сопротивлений резисторов R₄ и R₆ при определении эквивалентной нагрузки в цепи истока пренебрежимо мала.

При увеличении амплитуды сигнала отпирается VD₂ , а эквивалентное сопротивление в цепи истока определится так:

Коэффициент усиления данного каскада будет равен:

где S_d - динамическая крутизна.

Как известно,

где S – статическая крутизна, а R_и – сопротивление в цепи истока. Исходя из этого, в данном каскаде усиление меняется обратно пропорционально изменению R₂ . Следовательно, если R₂ уменьшается с увеличением амплитуды сигнала на затворе VT, то коэффициент усиления растет с увеличением сигнала.

На рис.2.23, б показан график зависимости U_{с вых} от U_{с вх.} Как видно из рисунка, это – ломаная линия, а не плавная кривая. Однако чем больше диодов включать в цепь истока, тем точнее будет приближение к требуемой зависимости. Потенциометры R₄ и R₆ изменяют напряжения U₁ и U₂ отпирания диодов, т. е. с их помощью можно изменять координаты точек перегиба кривой и таким образом в некоторых пределах регулировать величину γ_к.

В описанной схеме гамма-корректора при регулировке величины гамма-коэффициента происходит изменение размаха выходного сигнала. Это может нарушить режим работы последующих звеньев телевизионного тракта. От этого недостатка свободны так называемые двухканальные гамма-корректоры (рис. 2.24).

рис. 2.24

Сигнал подается на два самостоятельных гамма-корректора, имеющих различное значение γ_к. В первом корректоре γ_к1 >1, например, γ_к1=2, а во втором -γ_к2<1 (γ_к2=0,5). Выходные сигналы с двух гамма-корректоров, одинаковые по амплитуде и полярности, подаются на регулируемую суммирующую схему. Она построена таким образом, что можно менять соотношение напряжений каждого корректора в выходном сигнале.

Выходное напряжение U_{с вых} =U _{γ к1} + U _{γ к2} = const будет постоянным при любом положении движка сумматора, а γ_общ будет меняться от γ_к1 =2 до γ_к1=0,5, проходя через значение γ=1.

Применяются также более сложные схемы гамма-корректоров, которые позволяют производить оперативное плавное изменение формы амплитудной характеристики изменением постоянных напряжений в схеме, что дает возможность сделать эти регулировки дистанционными.

Контрольные вопросы

1. Какие элементы ТВ тракта вносят нелинейные искажения?

2. Какие характеристики ТВ канала определяют нелинейные искажения?

3. Как определить результирующий коэффициент нелинейности ТВ тракта?

4. Назовите особенности работы двухканального корректора.

5. Как работает гамма-карректор с амплитудно-зависимой отрицательной обратной связью?

2.2.7.Оценка качества изображения по телевизионным испытательным таблицам [5]

Оперативная оценка качества изображения по ТИТ широко прак­тикуется в ТВ системах. С помощью специализированных ТИТ оцени­вается обычно один-два качественных параметра (рис.2.25), а с по­мощью универсальных — все основные (рис.2.26). Преимущество универсальных ТИТ очевидно. Однако при их использовании либо уменьшается точность оценки качественных параметров за счет ог­рубления шкал, либо измерения проводятся лишь в отдельных ло­кальных местах кадра из-за ограниченных возможностей размещения в поле таблицы большого числа различных испытательных элементов.

Рис. 2.25. Оптическая ТИТ для измерения геометрических (координатных) искажений.

Рис.2.26. Эскиз универсальной электронной испытательной таблицы УЭИТ

Указанные ТИТ могут быть оптическими (см. рис.2.25) или элект­ронными (см.рис.2.26). Преимуществом оптических таблиц является возможность оценки результирующего качества изображения при проверке всего тракта системы "от света до света", а также оценки величины искажений как в передающем, так и в приемном оборудо­вании. К сожалению, оптическую таблицу для ЦТ, да еще в многочис­ленных идентичных экземплярах, создать весьма сложно из-за срав­нительно быстрого старения цветных испытательных элементов — изменения их спектральных характеристик. Поэтому в ЦТ для оценки искажений, возникающих в видеоусилительном тракте телецентра, линиях связи и в приемниках, используются лишь электронные ТИТ. Универсальная электронная испытательная таблица (УЭИТ) состав­ляется из эталонных электрических сигналов, формируемых специ­альным генератором. Искажения в передающем оборудовании оцени­ваются по монохромным ТИТ и специальными методами.

Универсальная электронная таблица предназначена для объек­тивного и субъективного контроля основных параметров и их искаже­ний в тракте передачи черно-белого и цветного телевидения. На­значение испытательных элементов таблицы, как правило, многофункционально. В то же время оценка тех или иных искажений производится по разным испытательным элементам или по одинако­вым, но расположенным в разных местах рабочего поля для диффе­ренциальной оценки этих нарушений.

Рамка таблицы (см. рис.2.26) состоит из черно-бело-черных штри­хов, расположенных по периметру УЭИТ и образованных сигналами с уровнями (0/100/0)% от максимального размаха сигнала. Белые штрихи между черными полосами служат реперными линиями рабо­чего поля таблицы форматом 4/3.

Основу таблицы составляет сетчатое поле, образованное двадцатью (l..20) горизонтальными и 26 (а...э) вертикальными серыми полосами и белыми линиями между ними. Вертикальные линии создаются синус квадратичными импульсами длительностью 0,16...0,17 мкс; толщина го­ризонтальных линий — две строки; размах сигнала линий и серых полос составляет (75/37,5)%.

Рассмотрим методику оценки величин основных параметров ТВ изображения по УЭИТ на экране кинескопа приемника. Обычно этой оценке предшествует несколько подготовительных­ операций, которые проводятся методом последовательных приближений (неоднократным повторением). Ориентировочно ­порядок их проведения может быть следующим.

Установка размеров (формата) и центровка рабочей части табли­цы. Эти операции проводятся по реперным линиям и центральному перекрестию сетчатого поля с помощью регуляторов "Размер по вер­тикали", "Размер по горизонтали" и специального магнита центровки на горловине-черно-белого кинескопа. При формате 4/3 реперные белые линии совмещаются с обрамлением экрана трубки. При фор­мате 5/4 (используемом в большинстве кинескопов по конструктив­ным соображениям) с горизонтальным обрамлением экрана совме­щаются наружные черные края рамки, а с вертикальным — внутренние черные края. Правильность установки формата изобра­жения визуально оценивается по квадратам сетчатого поля и цент­ральной окружности. При нарушении квадраты воспроизводятся как прямоугольники, а окружность напоминает эллипс (при сравнитель­но небольших искажениях линейности строчной и кадровой развер­ток). Центровка изображения должна быть такой, чтобы центральное перекрестие сетчатого поля совпадало с центром экрана.

Коррекция геометрических (координатных) искажений из-за не­линейности разверток производится с помощью регули­ровок "Линейность по вертикали" и "Линейность по горизонтали"; инструментальная оценка ее результата — по квадратам сетчатого поля, а визуальная — по окружностям в центре и в углах таблицы.

Статическое и динамическое сведение лучей цветного кинескопа. Проверка производится соответственно по центральному перекре­стию осевых вертикальной и горизонтальной линий сетчатого поля и осевым линиям на краях растра, а также по перекрестиям белых линий в окружностях по углам таблицы.

Четкость по горизонтали оценивается по штриховой групповой четкости 13б – 13щ и подобным элементам мир в углах.

Четкость по вертикали косвенно оценивается по воспроизведению наклонных черно-белых линий (при нарушении чересстрочности наклонные линии приобретают ступенчатый характер).

Баланс белого определяется соотношением тонов трех лучей и проверяется по шкале яркости 8б......8щ.

Верность воспроизведения цветов проверяется визуально по двум цветовым шкалам: 6 – 7б......6 – 7щ.

Наряду с УЭИТ используется испытательное изображение в виде восьми широких вертикальных цветных полос, так называемый семицветик, – для визуальной оценки правильности цветовоспроизведения.

Контрольные вопросы

1. Устройство человеческого глаза.

2. Основные характеристики человеческого глаза.

3. Жёлтое пятно и его основные характеристики.

4. Светочувствительные элементы сетчатки глаза и их параметры.

5. Адаптация глаза к изменению освещенности.

6. Острота зрения глаза.

7. Закон Вебера – Фехнера.

8. Инерционность зрения.

9. Цветное зрение.

10. Распределение светочувствительных элементов на сетчатке глаза.

11. Характеристики и параметры телевизионного изображения.

12. Формат телевизионного изображения.

13. Чёткость телевизионного изображения.

14. Факторы, определяющие чёткость телевизионного изображения.

15. Критерии выбора частоты кадров.

16. Яркость телевизионного изображения.

17. Градация яркости.

18. Контрастность изображения.

19. Закон Табольта.

20. Какие элементы ТВ тракта вносят нелинейные искажения?

21. Какие характеристики ТВ канала определяют нелинейные искажения?

22. Как определить результирующий коэффициент нелинейности ТВ тракта?

23. Назовите особенности работы двухканального корректора.

24. Как работает гамма-корректор с амплитудно-зависимой отрицательной обратной связью?