Лекция 9. Синхронизация телевизионного сигнала

Содержание: Особенности телевизионного сигнала при конечных размерах развертывающего элемента. Строчная и кадровая синхронизация.

Все развертывающие устройства телевизионной системы работают синхронно и синфазно. Это обеспечивается принудительной синхронизацией, для чего на все развертывающие устройства в начале каждой строки и каждого кадра подаются специальные синхронизирующие импульсы, которые заставляют срабатывать эти устройства в строго определенные моменты времени. Принудительная синхронизация развертывающих устройств передающей камеры и телевизионного приемника осуществляется от единого источника синхросигнала - синхрогенератора, находящегося в комплекте передающей аппаратуры телецентра. Между способами синхронизации развертывающих устройств телецентра и телевизионных приемников имеется существенная разница. Развертывающие устройства передающей телевизионной камеры синхронизируются непосредственно импульсами строчной и кадровой синхронизации, подаваемыми по камерному кабелю. Для синхронизации развертывающих устройств приемников синхронизирующие импульсы строк и кадров должны передаваться с телевизионного центра совместно с ТВ сигналом по одному каналу. Это приводит к необходимости формирования специального сигнала синхронизации приемников, имеющего весьма сложную форму. При этом для передачи синхронизирующих импульсов используется время обратного хода луча, т. е. время передачи гасящих импульсов. Вершины гасящих импульсов примерно соответствуют уровню «черного» сигнала. Часто говорят, что синхронизирующие импульсы располагаются в области «чернее черного». Импульсы синхронизации в этом случае могут быть отделены от сигнала изображения и гасящих импульсов обычным амплитудным ограничителем (амплитудным селектором). Схема амплитудного селектора содержит устройство фиксации вершин импульсов синхронизации и пороговый элемент, пропускающий на дальнейшую обработку только сигналы синхронизации. Легкость и надежность указанного процесса является одним из основных достоинств данного метода синхронизации. Не менее важной задачей является разделение строчных синхронизирующих импульсов и импульсов синхронизации полей друг от друга. Для этого они должны отличаться либо по уровню, либо по длительности. В первом случае импульсы синхронизации полей можно выделять с помощью ограничителя. Однако из-за увеличения общего размаха сигнала значительно возрастает мощность радиопередатчика, поэтому лучше делать синхронизирующие импульсы разными по длительности (длительность строчных синхронизирующих импульсов значительно меньше длительности импульсов синхронизации полей). Разница в длительности строчных импульсов и импульсов полей преобразуется с помощью дифференцирующих и интегрирующих цепей в разницу напряжений, как показано на рисунке 9.1. При этом разница в напряжении может быть сделана столь значительной, что остатки строчных импульсов после интегрирования не будут оказывать никакого влияния на синхронизацию кадровой развертки.

Рисунок 9.1 - Разделение импульсов синхронизации: а) – дифференцирующей цепью; б) – интегрирующей цепью; в) – формы сигналов

Выделение синхронизирующих импульсов полей с помощью интегрирующей цепи наряду с простотой обладает еще одним положительным качеством - большой помехоустойчивостью. Импульсы помех, имеющие малую длительность, не успевают создавать на конденсаторе значительных напряжений и как бы сглаживаются интегрирующей цепью. Недостатком такого выделения синхронизирующих импульсов являются невозможность получения крутого фронта интегрированных импульсов и, как следствие, возможная нестабильность момента синхронизации. Выделение синхронизирующих импульсов строк с помощью дифференцирующей цепи возможно, однако следует иметь в виду, что импульсные помехи будут свободно проходить через конденсатор цепи и помехоустойчивость такого способа выделения будет низкой. При построчном разложении между фронтами двух кадровых синхронизирующих импульсов размещаются z строчных импульсов. Длительность кадрового импульса синхронизации в несколько раз больше периода строки (см. рисунок 9.2). После прохождения сигнала u_вх через дифференцирующую цепь получим сигнал u_дц , положительные импульсы которого могут использоваться для синхронизации строчной развертки приемника, а отрицательные – никакого действия на работу генератора развертки оказывать не будут. Во время действия кадрового синхронизирующего импульса в канале строчной синхронизации импульсы отсутствуют. Синхронизации строчной развертки в этот промежуток времени не будет, и генератор импульсов строчной развертки ТВ приемника будет работать в автономном режиме. В результате несколько первых строк после окончания действия кадрового импульса могут оказаться "сбитыми". Для сохранения непрерывности следования строчных импульсов в кадровый синхронизирующий импульс вводят прямоугольные врезки, следующие со строчной частотой. Длительность врезок на рисунке условно равна длительности строчных импульсов.

Рисунок 9.2 - Сигналы синхронизации при построчной развертке

Срез врезки должен совпадать с фронтом строчного импульса, который должен был бы быть в этом месте. После дифференцирования такого сигнала U^'_вх положительные импульсы используются для синхронизации. Таким образом, они следуют без перерыва со строчной частотой (u^'_дц на рисунке 9.2); кадровые синхронизирующие импульсы выделяются интегрирующей цепью. Наличие врезок приводит к получению на выходе интегрирующей цепи "зубчатой" формы кривой u^'_иц . Такое искажение формы будет одинаковым у всех кадровых синхронизирующих импульсов. Исходя из этого, при постоянном уровне срабатывания кадрового генератора развертки это не приведет к нарушению синхронизации. При чересстрочном разложении число строк z в кадре нечетно, и между фронтами двух следующих друг за другом синхронизирующих импульсов четных и нечетных полей размещается m = 1/2 периодов строчной частоты f_z , где m - число целых строк в одном поле. Эта одна вторая периода строчной частоты обусловливает соответствующий временной сдвиг строчных врезок относительно синхронизирующего импульса четного поля (поля, в котором разворачиваются четные строки). В результате форма синхронизирующих импульсов четных и нечетных полей оказывается неодинаковой (см. рисунок 9.3). В импульсе нечетных полей время от фронта импульса до первой врезки равно длительности почти целой строки (за вычитанием длительности врезки), а в импульсе четных полей это время составляет половину длительности строки. Из-за этого формы интегрированных импульсов u_иц для четных и нечетных полей также будут различными. Их различие хорошо видно на рисунке при совмещении обоих интегрированных импульсов на одном графике u_ицсовм .

Рисунок 9.3 - Нарушение идентичности синхроимпульсов полей с врезками строчной частоты при построчной развертке

При синхронизации кадрового генератора такими импульсами может произойти нежелательный сдвиг во времени начала обратных ходов развертки по полям. Этот сдвиг, как видно из рисунка 9.3, равен Δ₁ и может достигать долей длительности строки. Наличие сдвига приведет к нарушению чересстрочности развертки, т.е. растры полей будут сдвинуты по вертикали не точно на половину расстояния между соседними строками, и появится так называемое спаривание строк. Спаривание строк ухудшает качество изображения. Становится заметной структура строк, уменьшается четкость по вертикали. Исходя из этого, необходимо так изменить форму синхронизирующих импульсов, чтобы исчезло различие между интегрированными четными и нечетными импульсами полей и сдвиг Δ₁ стал равен нулю. Для устранения различия в форме синхронизирующих импульсов четных и нечетных полей врезки в них целесообразно сделать с двойной строчной частотой. Форма четных и нечетных импульсов синхронизации полей становится как до, так и после интегрирования идентичной. Во время действия синхронизирующего импульса полей строчные импульсы будут следовать с удвоенной частотой. Для устойчивой синхронизации генератор импульсов строчной развертки настраивается так, чтобы частота его колебаний в режиме без синхронизации была ниже частоты строк. При этом, если амплитуда импульсов синхронизации не чрезмерно велика, генератор не будет реагировать на дополнительные импульсы и будет работать в режиме деления частоты с коэффициентом 2. Таким образом, при полной идентичности синхронизирующих импульсов полей импульсы после интегрирования u_иц получаются тоже одинаковыми и при наложении совпадают. Однако при более строгом рассмотрении процессов приходится сделать заключение, что совпадение интегрированных импульсов не является все же точным. На интегрирующую цепь поступают наряду с синхронизирующими импульсами полей строчные синхронизирующие импульсы. От каждого строчного импульса конденсатор получает определенный заряд. Так как строчные импульсы в четных и нечетных полях располагаются на разных расстояниях от начала и конца синхронизирующего импульса полей, они, естественно, оказывают разное влияние на ход кривой накопления заряда на конденсаторе в четных и нечетных полях. В то время как в синхронизирующих импульсах нечетных полей (сплошная линия на графике) остаточный заряд конденсатора от последнего строчного импульса почти равен нулю, в импульсах четных полей он значителен (штриховая линия). Начальные условия интегрирования кадровых импульсов в нечетных и четных полях получаются различными, а это также приводит к нежелательному временному сдвигу Δ₂ . Правда, в этом случае он мал (Δ₂<Δ₁), но достаточен, чтобы нарушить регулярность развертки. Чтобы избежать разницы в форме импульсов после интегрирования, достаточно до и после синхронизирующих импульсов полей ввести по несколько импульсов, следующих с двойной строчной частотой. Такие импульсы называются уравнивающими. Таким образом, для получения устойчивой чересстрочной развертки приходится усложнять форму синхронизирующего импульса полей (рисунки 9.4, 9.5).

Рисунок 9.4 - Кадровая синхронизация с врезками двойной строчной частоты Рисунок 9.5- Структура кадровых синхроимпульсов в ПТВС

Стандартом длительность импульса кадровой синхронизации определяется 2,5 Н (160 мкс), а длительность уравнивающих импульсов делается в 2 раза меньше строчных синхронизирующих импульсов. Стандартом устанавливается число передних и задних уравнивающих импульсов, а также импульсов, составляющих сигнал кадровой синхронизации, равным пяти. Импульсы синхронизации расположены на вершинах гасящих импульсов и составляют 43 % размаха сигнала изображения от уровня черного до уровня белого. Для работы развертывающих устройств желательно, чтобы синхронизирующие импульсы располагались как можно ближе к левому краю гасящих импульсов, чтобы во время обратного хода экран был погашен гасящим импульсом. Если синхронизирующий импульс будет сдвинут вправо, то на обратный ход луча приемной трубки будет отведено меньше времени. При превышении этого времени вследствие каких-либо причин обратный ход луча на экране не будет полностью погашен. Итак, в сигнале синхронизации телевизионных приемников наиболее сложным по форме является сигнал кадровой синхронизации. Его форма, принятая отечественным стандартом, а также большинством европейских стран и США, является наиболее совершенной. Такая форма позволяет получить хорошее качество чересстрочной развертки при наиболее простом способе разделения сигналов - с помощью интегрирующей цепи - и большую помехоустойчивость.

Для синхронной и синфазной работы приемных развертывающих устройств последние ставятся в режим принудительной синхронизации, для чего в устройстве, называемом синхрогенератором, формируются синхронизирующие импульсы, управляющие работой разверток. Частоты синхронизирующих импульсов определяются стандартом развертки в соответствии с полученными выше соотношениями. Синхроимпульсы с такими частотами вырабатываются устройством со структурой, изображенной на рисунке 9.6. Получение синхронизирующих импульсов от одного общего задающего генератора гарантирует жесткую связь их частот, а это в свою очередь обеспечивает постоянство числа строк в растре даже при нестабильности частоты задающего генератора.

Рисунок 9.6 – Структурные схемы синхрогенераторов

При чересстрочной развертке, как указывалось, частота полей должна быть увеличена вдвое по сравнению с кадровой частотой. В этом случае синхрогенератор затруднительно строить по левой схеме рисунка 9.6, так как для получения импульсов с частотой f_n пришлось бы частоту задающего генератора делить на дробное число z/2, что технически сложно. Целесообразно частоту задающего генератора сделать равной 2f_z , а строчные и кадровые синхроимпульсы получить делением на 2 и на z соответственно. Значение частоты колебаний задающего генератора, равное 2f_z , является минимально необходимым. В современных синхрогенераторах задающий генератор настраивается на частоту, во много раз большую 2f_z . При этом, однако, выдерживается условие кратности частоты задающего генератора двойной строчной частоте.