Учебное пособие елец 2008 удк ббк з
 Скачать 1.64 Mb.
|
 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Российский Государственный Университет туризма и сервиса Елецкий Государственный Университет имени И.А. Бунина А.А. Зайцев, Э.И. Исакович, П.П. Мухлынин, Н.Н. ТеодоровичЭлектронные средства информационных систем Часть 3. «Устройства отображения информации»УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Елец – 2008 УДК ББК З Печатается по решению редакционно-издательского совета Елецкого государственного университета имени И.А.Бунина от 2008 г., протокол№ Рецензенты: К.Г. Иванов, профессор, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой физики Санкт-Петербургского Государственного Университета технологии и дизайна А.Д. Коротеев, директор ЗАО «Импульс» (Сервис бытовой радиоэлектронной аппаратуры, г. Елец). А.А. Зайцев, Э.И. Исакович, П.П. Мухлынин, Н.Н. Теодорович З Электронные средства информационных систем часть 3. «Устройства отображения информации» Учебное пособие. – Елец: Российский Государственный Университет туризма и сервиса, Елецкий Государственный Университет им. И.А. Бунина, 2008. – стр. В пособии рассматриваются принципы формирования, обработки, передачи и приёма телевизионных сигналов, структурные и принципиальные схемы основных узлов телеви- зоров, особенности построения и работы спутникового и цифрового телевидения. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Информа- ционные системы и технологии», а также для студентов старших курсов инженерно- физического факультета, изучающих специальные дисциплины, имеющие отношение к телевидению. УДК ББК © Российский Государственный Университет туризма и сервиса © Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина, 2008 г. © А.А. Зайцев, Э.И. Исакович, П.П. Мухлынин, Н.Н. Теодорович 2008 г. Введение Предлагаемое читателю учебное пособие «Устройства отображения информации» является третьей частью книги, изданной под общим названи- ем «Электронные средства информационных систем». Телевизионное вещание является одним из самых распространённых средств массовой информации населения и находит широкое применение в различных сферах деятельности общества. Телевидение как современная об- ласть техники развивается и обновляется очень быстро. За несколько послед- них лет появились принципиально новые функциональные устройства, по- стоянно улучшается качество изображения, особое внимание уделяется на- дёжности и экономичности работы телевизионных приёмников, совершенст- вуются устройства управления работой телевизоров, расширяется примене- ние в телевизионной аппаратуре микропроцессорных устройств. В пособии последовательно изложены основные принципы получения, обработки, передачи и приёма телевизионных сигналов. Рассмотрены прин- ципы построения и работы всех используемых систем цветного телевидения, принципы работы основных узлов современного телевизионного приёмника. Особенностью пособия является наличие глав, посвящённых принципам построения спутникового и цифрового телевидения, а также структуре и па- раметрам полного цифрового телевизионного сигнала. В конце каждой главы даны контрольные вопросы, касающиеся рассмот- ренной темы. Работа снабжена необходимым количеством электрических схем и рисунков, иллюстрирующих изложенный материал. Материал излагается в предположении, что читатель изучил основы тео- рии электротехники и радиотехники, импульсную и вычислительную техни- ку, электронные приборы, усилительные и радиоприёмные устройства. Учебное пособие предназначено для студентов старших курсов инженер- но-физического факультета. Содержание Глава 1. Основные принципы телевидения
Глава 2. Принципы передачи цветного изображения
Глава 3. Система цветного телевидения SECAM
Глава 4. Системы цветного телевидения NTSC и PAL
Глава 5. Принципы построения телевизионных приёмников
ТВ-приёмника 95
сопровождения 106
гетеродина (АПЧГ) 109
Глава 6. Синхронизация телевизионных приёмников
Глава 7. Развёртывающие устройства
с плоским экраном 133
Глава 8. Полный цветовой телевизионный сигнал 150 Глава 9. Спутниковое телевидение
телевизионного вещания 165
радиоприёмных устройств спутникового телевидения 176 Глава 10. Цифровое телевидение 10.1. Общие сведения 193 102. Цифровое представление электрических сигналов 196
преобразование 222
Литература 233 Глава 1. Основные принципытелевидения
Телевизионнаясистемапредставляет собой совокупность оптических, электронных и радиотехнических устройств, используемых для передачи на расстояние движущихся изображений. Передача изображений в телевидении осуществляется электрическим спо- собом, т.е. оптическое изображение преобразуется в электрический сигнал, передаваемый по каналу связи, а затем в месте приёма электрический сигнал вновь преобразуется в оптическое изображение. В идеальном случае полу- ченное ТВ-изображение должно в точности соответствовать оригиналу. Од- нако при этом ТВ-система должна быть способна передать бесконечно боль- шой объём информации, что приведёт к сильному усложнению самой систе- мы. Для ограничения объёма информации необходимо задаться определённой степенью точности воспроизведения ТВ-изображения, т.е. ограничиться оп- ределённым назначением ТВ-системы. Для ТВ-вещания, когда изображение воспринимается наблюдателем, степень точности воспроизведения изображе- ния ограничивается физиологическими характеристиками зрения: разрешаю- щей способностью глаза, его контрастной чувствительностью и инерционно- стью зрительного восприятия. Разрешающаяспособность(остротазрения)–это наименьшее угловое расстояние между двумя рядом расположенными светящимися точками, при котором наблюдатель видит эти точки раздельно. Для «стандартного» глаза разрешающая способность составляет = 1. Зрение человека инерционно. Это проявляется в том, что при прекращении действия светового потока глаз как бы продолжает «видеть» источник, кажу- щаяся яркость которого быстро убывает. В силу инерционных свойств зрения периодическая последовательность световых импульсов может восприни- маться как непрерывное излучение. Наименьшая частота повторения им- пульсных возбуждений глаза, при которой человек перестаёт замечать им- пульсный характер светового излучения и воспринимает его как непрерывное, называется критической частотой мельканий (fКР). Для яркостей ТВ- экранов fКР = 48 Гц. Основные принципы телевидения. В основе телевидения лежат два принципа:
Любая деталь объекта, подлежащего передаче с помощью ТВ-системы, ха- рактеризуется положением её на плоскости, определяемым координатами x, y, яркостью и цветом. Оптическое изображение на экранах преобразователей ТВ-системы может быть представлено в виде множества элементов разложения изображения (элементарных площадок), яркость и цвет которых можно считать постоян- ными в пределах границ этих элементов. Каждая такая элементарная площад- ка является наименьшей деталью, которую может воспроизвести данная ТВ- система. Размеры элементов изображения выбирают из следующих сообра- жений. Чем меньше размеры элементов (а значит, больше этих элементов в изображении), тем точнее соответствует дискретное изображение объекту на- блюдения. Однако увеличение числа элементов разложения не должно пре- вышать некоторого значения Nmax. Это обусловлено тем, что за пределами этой величины улучшения качества воспринимаемого человеком изображения не происходит в связи с ограниченностью разрешающей способности зри- тельной системы, а сложность ТВ-системы существенно возрастает. Оценка величины Nmax может быть сделана из следующих рассуждений. Горизонтальный и вертикальный размеры ТВ-экрана должны соответство- вать соответствующим углам ясного зрения. Пространственнымугломясногозренияназывается угол, в пределах которого в глаз поступает основная зрительная информация. Экспериментально установлено, что Я = 15 и Я = 11. Отсюда следует, что количество элементов разложения по вертикали NB со- ставит NB = Я , где Я – угол ясного зрения в вертикальной плоскости; разрешающая способность зрительной системы; = 1. Аналогично количество элементов разложения по горизонтали NГ составит NГ = Я / , где Я – угол ясного зрения в горизонтальной плоскости. Подставив эти значения в выражения для NВ и NГ получим: NВ = 660 и NГ = 900. Отсюда можно определить общее количество элементов разложения изобра- жения: N = NГ NВ = 900 660 = 59410.
При одновременной передаче всех элементов изображения число каналов связи должно быть равно числу элементов изображения. Для воспроизведения мелких деталей необходимо уменьшать размеры элемента изображения, и, следовательно, увеличивать их число и количество каналов связи. Система становится громоздкой и технически трудно выполнимой. В настоящее время используется метод последовательной передачи эле- ментов разложения по одному каналу связи. Такой метод получил название развёртки изображения. Развёрткой изображения называется процесс поочерёдной передачи во времени информации о яркости и цвете элементов разложения изображения. В вещательном телевидении развёртка осуществляется с помощью электрон- ного луча. При перемещении электронного луча по элементам разложения изображения на выходе электронно-оптического устройства «свет – сигнал» (передающей ТВ-трубки) формируется электрический сигнал. Мгновенное значение сигнала пропорционально яркости элемента изображения, на кото- рый в данный момент времени направлен электронный луч. Процесс развёртки (рис.1.1) заключается в периодическом движении луча электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) 1 по передаваемому изображению.  Рис.1.1. Функциональная схема ТВ-системы. При этом происходит следующее:
На приёмной стороне переданный по каналу связи электрический сигнал управляет яркостью воспроизводящего пятна 2. Полученное изображение представляет собой совокупность элементов разной яркости, образуемых при перемещении луча по плоскости экрана. Поскольку в каждый момент времени на экране приёмной ЭЛТ воспроизводится только один элемент, то для полу- чения слитного восприятия изображения необходимо, чтобы время до его по- вторной передачи было меньше времени инерционности зрительного ощуще- ния. Для правильного воспроизведения изображения закон движения электрон- ного луча при передаче и приёме изображения должен быть строго одинако- вым, т.е. должна соблюдаться синхронность и синфазность развёрток. Иначе говоря, необходимо обеспечить равенство частот развёрток и одновременно- сти их начала на передающей и приёмной сторонах. В вещательном телевиде- нии используется линейно-строчная развёртка, которая подразделяется на два вида: прогрессивную и чересстрочную. Прогрессивная (построчная) развёртка.Развёртка, при которой все строки растра просматриваются одна за другой, начиная с первой строки, называется прогрессивной (построчной) развёрткой. Частота кадров при такой развёртке выбирается, исходя из условия отсутст- вия мелькания яркости изображения, т.е. FК > fКР. Стандартом принято FК = 50 Гц. а) б)  Рис.1.2. Прогрессивная развёртка изображения: а) – образование растра; б) – временной график строчной развёртки; в) – временной график кадровой развёртки. Из рис.1.2 видно, что развёртка всей площади изображения образуется в результате движения луча по двум взаимно перпендикулярным направлени- ям: по горизонтали (вдоль оси х) и по вертикали (вдоль оси y). Движение лу- ча по горизонтали вдоль оси х создаёт строчную развёртку изображения. Прочерчиваемые при этом параллельные прямые линии называются строка- ми. В результате перемещения луча по вертикали вдоль оси у, создаваемого кадровой развёрткой, все строки располагаются одна под другой и образуют геометрическую фигуру, называемую растром.При прогрессивной развёртке за один период кадровой развёртки передаётся неподвижное изображение. Число строк в кадре(z), число передаваемых в одну секунду кадров (n) и от- ношение длины строки (b) к высоте растра (h), именуемое форматом кадра (k), называются параметрами разложения ТВ-системы. Электронный луч перемещается вдоль оси х по пилообразному закону (рис.1.2б). Чтобы строки растра были параллельными и располагались одна под другой, движение луча по вертикали (вдоль оси у) должно осуществлять- ся током, изменяющимся также по пилообразному закону. При этом строки растра оказываются несколько наклонными, что при большом числе строк разложения практически незаметно. Движение луча от начала к концу строки образует прямой ход развёртки, а время, затрачиваемое на это, называется временемпрямогоходаТZ1. Возвращение луча от конца предыдущей стро- ки к началу следующей называется обратным ходом, а время, затрачиваемое на это перемещение, – временемобратногоходаТZ2.Сумма времён прямо- го и обратного ходов составляет периодстрочнойразвёрткиТZ. Аналогич- но строчной, кадровая развёртка имеет прямой и обратный ходы Тn1 и Tn2, а период кадровой развёртки Тn = Тn1 + Tn2. Во время обратного хода строчной и кадровой развёрток изображение не передаётся. Время обратного хода кадровой развёртки значительно больше периода строки и охватывает несколько периодов строк, которые не участвуют в образовании растра. Параметры разложения ТВ-системы (z ,n,k=b/h) выбираются в соответ- ствии с характеристиками зрения и требуемым качеством ТВ-изображения. Частота строчной развёртки fz = z·n. Частота кадровой развёртки fn = n. Чересстрочная развёртка.Определяющим фактором для выбора частоты смены кадров является инерционность человеческого зрения, от которой зависит передача слитности движения, и частота мельканий яркости экрана при смене кадров. Слитность движения наступает уже при частоте смены кадров 16 ÷ 24 Гц, однако мелькание яркости изображения исчезает только при частоте, превы- шающей критическую частоту мельканий fКР = 46 ÷ 48 Гц. Для ТВ-систем частота мельканий согласуется также с частотой питающей сети и берётся равной 50Гц. Выбор такой частоты кадров приводит к следующим особенностям про- грессивной развёртки. Во-первых, возникает избыточность количества кадров при воспроизведе- нии движущихся объектов, т.к. эффект плавного перемещения объекта, как было сказано, достигается уже при частоте смены кадров, равной 16 ÷ 24 Гц. Каждое мгновенное положение движущегося объекта (т.е. каждая его фаза) может быть передана одним кадром. Следовательно, для воспроизведения плавного движения объекта вполне достаточно передавать 24 кадра в одну се- кунду. Во-вторых, полоса частот ТВ-сигнала пропорциональна частоте смены кадров и определяется выражением F = pknz 2 / 2 ……………. (1.1), где p = 0,75 0,85 – коэффициент, учитывающий конечные размеры площади сечения (апертуры) электронного луча; k = 4/3 – формат кадра; n – число кадров; z – число строк в кадре. Если в выражение (1.1) подставить известные значения частоты строк и кадров, то полоса частот, занимаемая ТВ-сигналом, будет равна F 11,2 МГц. Уменьшить полосу частот, занимаемую сигналом изображения, и одновре- менно устранить избыточность числа кадров удаётся применением чересст- рочной развёртки. Сущность чересстрочной развёртки заключается в том, что полный кадр передаётся и воспроизводится в два этапа (поля). За время развёртки первого поля прочерчиваются все нечётные, а за время развёртки второго поля – все чётные строки кадра. Каждое поле содержит информацию о половине элемен- тов изображения, т.е. количество строк в каждом поле равно 625 /2 = 312,5. Время развёртки каждого поля делается равным ТП = 1/50 с = 20 мс. Полный цикл обхода всего экрана (период кадра) составляет ТК = 2ТП = 40 мс. Вслед- ствие инерционности зрения изображение обоих полей воспринимается как слитное изображение кадра, содержащего полное число элементов. Таким об- разом, устраняется избыточность кадров при воспроизведении движения объ- ектов. В соответствии с выражением (1.1) уменьшение частоты смены кадров n приводит к уменьшению полосы частот, занимаемой ТВ-сигналом, в два раза по сравнению с полосой частот при прогрессивной развёртке. Принцип получения чересстрочной развёртки иллюстрируется на рис.1.3.  Рис. 1.3. Чересстрочная развёртка изображения: а) – образование растра; б) – временные графики. При совмещении полей строки чередуются, образуя кадр с полным числом строк (рис.1.3,а). Чередование строк первого и второго полей достигается вы- бором нечётного числа строк в кадре. Поэтому второе поле начинается с по- ловины строки, и все строки второго поля оказываются сдвинутыми по верти- кали относительно строк первого поля (рис.1.3,б). Частота строчной развёртки fZ и развёртки полей f2n должны быть жёстко связаны по времени (синхронизированы) между собой, т.к. в противном слу- чае не будет сдвига на полстроки и произойдёт наложение строк первого и второго полей. При этом полный кадр будет содержать половину общего чис- ла строк, что приведёт к снижению чёткости изображения в вертикальном на- правлении вдвое. Уменьшение полосы частот при чересстрочной развёртке даёт возмож- ность значительно упростить аппаратуру ТВ-системы, т.к. коэффициент уси- ления каскадов обратно пропорционален их полосе пропускания. Кроме того, в диапазоне частот, отведённом для передачи ТВ-сигналов, можно разместить большее число ТВ-каналов. Недостатком чересстрочной развёртки является требование жёсткой связи между строчной и кадровой частотами. Это требование приводит к усложне- нию аппаратуры передающей части ТВ-системы, а также к необходимости применения более сложной формы кадровых синхронизирующих импульсов, чем при прогрессивной развёртке. Однако достоинства чересстрочной раз- вёртки являются столь существенными, что все стандарты разложения для систем ТВ-вещания предусматривают её применение. Приведём основные параметры системы ТВ-вещания России.
В процессе развёртки яркость каждого передаваемого в данный момент элемента с помощью фотоэлектрического преобразователя преобразуется в импульс напряжения или тока. Огибающая электрических импульсов, про- порциональных яркости передаваемых элементов изображения, образует ТВ- сигнал. Сигнал всегда имеет импульсный характер, и чем резче границы пе- репада яркостей передаваемых предметов, тем круче фронты составляющих его импульсов. Уровень сигнала, соответствующий минимальному значению яркости пе- редаваемого изображения, называется уровнем чёрного, а уровень, соответ- ствующий максимальному значению яркости, – уровнем белого. Между этими уровнями располагаются все остальные значения сигнала. Свет по своей природе униполярен, т.к. яркость не может быть отрица- тельной величиной. ТВ-сигнал, являясь величиной, пропорциональной ярко- сти изображения, также униполярен, т.е. изменяется в одну сторону от нуля и, следовательно, имеет среднюю составляющую, пропорциональную средней яркости передаваемого изображения. Если уровню белого соответствует мак- симальное значение сигнала, а уровню чёрного – минимальное, то полярность такого сигнала называется положительной, а сигнал – позитивным. В обрат- ном случае имеем сигнал отрицательной полярности, или негативный. ТВ - сигнал определяется его полным размахом, т.е. разностью между максималь- ным и минимальным значениями напряжения, и выражается в вольтах. Форма одной строки ТВ- сигнала чёрно-белого изображения представлена на рис.1.4,б.  Рис.1.4. Форма одной строки ТВ - сигнала чёрно-белого изображения: а) – график развёртки одной строки; б) – форма и состав строки ТВ - сигнала. Сигнал (1) передаётся только во время прямого хода развёртки (рис.1.4,а). Чтобы обратные ходы развёрток не были заметны на изображении, необходи- мо яркость в это время сделать минимальной. Для этого в сигнал во время об- ратного хода строчной и кадровой развёрток вводятся специальные гасящие импульсы (2), длительность которых соответствует длительности обратных ходов. Форма кадровых и строчных гасящих импульсов – прямоугольная. Различие между ними состоит в частоте повторения и длительности: строч- ные гасящие импульсы составляют часть строки, тогда как гасящие импульсы полей составляют часть кадра и имеют длительность нескольких периодов строк. Чтобы обеспечить синхронность и синфазность приёмной и передающей развёрток изображения, в канал связи одновременно с сигналом подаются специальные синхронизирующиеимпульсы(3). Эти импульсы не должны мешать передаче изображения, поэтому они располагаются на вершинах га- сящих импульсов в области чернеечёрного. Телевизионный сигнал с гасящими и синхронизирующими импульсами на- зывается полным телевизионным сигналом. В полном ТВ-сигнале за опор- ный принимается уровень гасящих импульсов. Он создаёт границу между об- ластью передачи сигнала изображения и областью синхронизации. Уровень белого отстоит от максимального уровня полного ТВ-сигнала (контрольного уровня белого) на 10….15 %, а между уровнями чёрного и гасящих импульсов располагается защитный интервал, составляющий 3…5 % и необходимый для защиты области синхронизации от попадания импульсов помех из области сигнала. Форма строки ТВ-сигнала цветного изображения отличается от приведен- ной на рис.1.4 тем, что в составе «цветной» строки имеется сигнал «вспыш- ки». Кроме того, сигнал изображения «цветной» строки имеет частотную мо- дуляцию, характеризующую цвет сюжета, и изменяющуюся амплитуду, ха- рактеризующую насыщенность этого цвета. Подробное описание полного цветового телевизионного сигнала будет да- но в Главе 8. Спектр частот полного ТВ-сигнала необходимо знать для определения требуемой полосы пропускания канала связи. Он определяется разностью ме- жду верхней fВ и нижней fН граничными частотами сигнала ∆F = fВ – fН ……………….. (1.2). Можно показать, что нижняя граничная частота сигнала будет равна fН = fП …………………...... (1.3), а верхняя граничная частота будет определяться выражением (1.1). Поскольку fВ >> fН, то спектр частот ТВ-сигнала определяется верхней гра- ничной частотой ∆F ≈ fВ …………………….. (1.4).
 Рис.1.5. Структурная схема телевизионной системы Современная система ТВ-вещания (рис.1.5) состоит из двух частей: пере- дающей и приёмной, соединённых линией связи. В передающей части системы изображение объекта, подлежащего передаче, с помощью оптического устройства (объектива О) проецируется на фотоми- шень передающей трубки, находящейся в передающей ТВ-камере. В пере- дающей трубке оптическое изображение преобразуется в электрическое. С помощью развёртки этот электрический сигнал преобразуется в ТВ-сигнал, который после предварительной обработки в усилителе ТВ-камеры (камерном канале) поступает в ТВ-канал. Для развёртки изображения на отклоняющую систему передающей трубки подаются электрические сигналы пилообразной формы строчной частоты (1) и частоты полей (2). Эти сигналы вырабатыва- ются в специальном устройстве – блоке развёрток передающей трубки. В ТВ-канале происходит дальнейшее усиление, коррекция искажений и форми- рование полного ТВ-сигнала, для чего в сигнал замешиваются гасящие (3) и синхронизирующие (4) импульсы строк и полей. Эти импульсы поступают в тракт ТВ-канала от специального генератора импульсов – синхрогенерато- ра. Синхрогенератор вырабатывает импульсы, необходимые для синхронной и синфазной работы всей ТВ-системы, т.е. обеспечивает жёсткое соотноше- ние между частотами строчной и кадровой развёрток. Сформированный и усиленный полный ТВ-сигнал поступает на радиопе- редатчик, а затем в антенну. Излучённый полный ТВ-сигнал по радиоканалу поступает через приёмную антенну в высокочастотную часть радиоприёмного устройства, где происхо- дит выбор соответствующего ТВ-канала. После усиления принятого радио- сигнала по высокой и промежуточной частоте сигнал детектируется. Полу- ченный после детектирования полный ТВ-сигнал усиливается в видеоусили- теле. Затем сигнал поступает на приёмную ТВ-трубку (кинескоп), где под его действием изменяется яркость свечения экрана, т.е. происходит обратное пре- образование электрического сигнала в сигнал изображения. Синхронность и синфазность развёрток приёмной так же, как и передающей трубок, обеспечи- вается синхронизирующими импульсами, вырабатываемыми синхрогенерато- ром. Поскольку блок развёрток передающей трубки находится в передающей части ТВ-системы, то синхронизирующие строчные импульсы (7) и импульсы полей (8) отдельно подводятся к соответствующим генераторам блока непо- средственно от синхрогенератора. Для синхронизации работы блока развёрток приёмной трубки синхроим- пульсы (4) замешиваются в полный ТВ-сигнал, который поступает в приём- ник вместе с сигналом изображения. Одновременно с подачей на приёмную трубку ТВ-сигнал поступает в блок синхронизации, где синхроимпульсы от- деляются от него, затем разделяются на строчные импульсы (9) и импульсы полей (10), а затем поступают на соответствующие генераторы блока развёр- ток кинескопа. Для развёртки изображения на отклоняющую систему кинескопа с блока развёрток приёмной трубки поступают электрические сигналы пилообразной формы с частотой строк (5) и полей (6). Передающая часть ТВ-системы входит в состав телевизионного центра. Телевизионный приёмник называется телевизором. Контрольные вопросы:
|