Размещено на http://allbest.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный университет»

Факультет компьютерных наук

Кафедра технологий и обработки защиты информации

Реферат

Структура телевизионного сигнала

Выполнила студентка

2 курса магистратуры

Воронеж 2024

Введение

Телевидение - область современной радиоэлектроники, которая занимается передачей и приемом движущихся и неподвижных изображений предметов, расположенных в пространстве, электрическими средствами связи в реальном и измененном масштабе времени.

Задачей ТВ является получение на приемном устройстве изображения, как можно более полно соответствующего объекту передачи. Эта задача решается сложным комплексом аппаратуры преобразования, кодирования, передачи, декодирования, отображения и другими операциями по обработке визуальной информации.

Первый принцип телевидения заключается в разбиении изображения на отдельные элементы и в поэлементной передаче всего изображения - иначе говоря, пространственная дискретизация изображений. Элементом изображения называется минимальная деталь изображения, которая может быть различима и воспроизведена ТВ системой. Изображение, образованное совокупностью всех элементов, называется кадром.

Второй принцип, на котором базируется телевидение, - это последовательные во времени передача и воспроизведение информации о яркости (и цвете) отдельных элементов изображения - развертка изображения. Это возможно благодаря инерционности зрения человека, которая проявляется в том, что мелькающий источник света при высокой частоте мельканий кажется непрерывно светящимся.

1. Дискретизация и развертка изображения

Пространственная дискретизация заключается в разбивке всего поля передаваемого изображения на конечное число дискретных элементов. На рис. 1.1. показаны фотографии девушки, разбитые на 1000 и 250000 элементов соответственно. Теоретически это количество элементов может бесконечно большим, но на практике в связи с ограниченной разрешающей способностью зрения любое изображение может быть представлено определенным числом элементов с конечными размерами.

Рис. 1.1. Пространственная дискретизация изображения

Телевизионному преобразованию изображений в электрический сигнал предшествует построение оптического изображения. Это изображение может быть представлено множеством интегральных источников, интенсивность каждого из которых может принимать множество различных значений. Чем больше число элементарных источников N (элементов изображения), тем выше предельно различимая детальность изображения, т.е. элементы должны быть достаточно мелки, а их число на изображении должно быть достаточно велико, чтобы глаз не замечал дискретной структуры изображения.

Телевизионное изображение, получаемое за период кадра (ТВ кадр), состоит из совокупности (до сотен тысяч) элементов - минимальных площадок, различаемых и воспроизводимых ТВ системой.

Используются процессы последовательного во времени преобразования цвета или яркости элементов изображения объектов в электрические сигналы (ТВ анализ изображения) и электрических сигналов в цвет или яркость элементов ТВ изображения (синтез ТВ изображения).

Перемещение развертывающего элемента в процессе анализа и синтеза изображения по определенному периодическому закону называется разверткой изображения.

Развертывающий элемент может быть реализован в виде электронного луча (электронная развертка), светового (лазерного) луча, светочувствительного элемента в твердотельном датчике видеосигнала и т.д.

Рис. 1.2 Виды детерминированных разверток

В ТВ вещании используется наиболее простой для реализации закон развертки - линейно-строчная периодическая развертка, когда разложение изображения осуществляется с постоянной скоростью слева направо, прочерчивая строку изображения (прямой ход строчной развертки), и одновременно сверху вниз (прямой ход кадровой развертки) (рис. 1.3).

Быстрый возврат развертывающего элемента справа налево и снизу вверх происходит во время обратных ходов разверток; сумма времени прямого и обратного ходов составляет период развертки, причем период строчной развертки намного меньше периода кадровой.

После каждой строки и каждого кадра во время обратного хода передаются специальные синхронизирующие импульсы, определяющие привязку к началу координат разверток по строкам и кадрам, передающего и приемного устройств. Точность синхронизации и постоянство скоростей развертки по строке и кадру определяют точность воспроизведения геометрического соответствия деталей изображения на приеме и передаче (рис. 1.4).

Рис. 1.3. Линейно-строчная развертка

Рис. 1.4. Синхронизация разверток передающей и приемной стороны

2. Передача ТВ сигнала

В основе ТВ передачи лежат следующие физические процессы: преобразование световой энергии в электрический сигнал, передача его по каналу связи и обратное преобразование на приемном конце электрического сигнала в оптическое изображение.

Решение задачи телевидения обуславливает построение ТВ системы, т.е. комплекс технических средств, обеспечивающих получение зрительной информации о передаваемом объекте на приемном конце. В зависимости от назначения системы, объем и устройство технических средств могут быть различными, но они характеризуются общими свойствами.

Рис. 2.1. Обобщенная структура ТВ системы.

Обобщенная структурная схема ТВ системы, представленная на рис. 2.1, состоит из следующих функциональных блоков:

О - объектив;

ОЭП - оптико-электронный преобразователь (передающая трубка);

РУ - развертывающее устройство;

СГ - синхрогенератор;

УС - усилитель;

ПРД - передающее устройство;

КС - канал связи;

ПР - приемное устройство;

ВУ - видеоусилитель;

ЭОП - электронно-оптический преобразователь (кинескоп);

АСС - амплитудный селектор синхроимпульсов.

Объектив преобразовывает световой поток, создавая оптическое изображение сцены на светочувствительной поверхности оптико-электронного преобразователя. Это устройство преобразует световую энергию в электрическую.

Оптическое изображение проецируется на мишень передающей трубки или на твердотельный датчик ТВ сигналов, и с этих устройств снимаются заряды, которые впоследствии образуют ТВ сигнал.

С помощью развертывающего устройства получают последовательные электрические импульсы. Электрические импульсы, несущие информацию о яркости изображения, называются яркостным сигналом.

Для синхронной и синфазной работы анализирующего и синтезирующих устройств, обеспечивающих идентичность положения координат точек на передающем и приемных устройствах, необходимо генерировать и передавать специальные сигналы синхронизации. Синхронность достигается при равенстве частоты разверток на анализирующем и синтезирующих устройствах, а синфазность при точном начале их работы. Для выполнения этих условий в телевидении используется принудительная синхронизация.

Сигналы синхронизации вырабатываются в синхрогенераторе и представляют собой импульсы различной длительности и частоты. Одни импульсы синхронизации вырабатываются с частотой строк, другие с частотой кадров. Эти импульсы поступают в развертывающее устройство, а также в усилитель, где суммируются с сигналом яркости и поступают в передающее устройство.

В ТВ системе развертывающие устройства на передающей и приемной сторонах работают в автоколебательном режиме.

Поэтому сигналы синхронизации вместе с сигналом яркости передаются на телевизионные приемники и обеспечивают работу развертывающих устройств синфазно и синхронно с развертывающими устройствами передающей части.

Синхрогенератор вырабатывает также сигналы гашения лучей передающей и приемной трубок во время их обратных ходов, называемых гасящими импульсами. На вершинах гасящих импульсов располагаются синхронизирующие импульсы.

Исходный сигнал яркости с введенным сигналом гашения называется сигналом яркости. Сигнал, состоящий из сигнала яркости и сигала синхронизации, называется полным сигналом яркости.

В передающем устройстве производится модуляция несущей.

Полный ТВ радиосигнал далее поступает в канал связи.

Роль канала связи могут выполнять радиопередатчики, ретрансляторы, кабельная, радиорелейная, спутниковая, световодная и другие линии связи, удовлетворяющие требованиям неискаженной передачи ТВ сигнала. В процессе передачи по каналу связи сигнал может подвергаться различным преобразованиям, но на выходе должен восстанавливаться полный ТВ радиосигнал. телевидение информация видеосигнал экран

В приемном устройстве происходит усиление телевизионного радиосигнала по высокой и промежуточной частотам, а также его детектирование.

После детектирования видеосигнал поступает на усилитель видеосигналов, где происходит усиление сигнала до необходимой величины для управления преобразователем сигнал-свет (кинескоп, приемная трубка), и на селектор импульсов синхронизации. В этом устройстве осуществляется выделение из видеосигнала импульсов синхронизации.

Эти импульсы управляют развертыващими устройствами, обеспечивая синхронность и синфазность движения сканирующих элементов анализирующего и синтезирующих устройств.

3. Состав полного телевизионного сигнала

В состав полного ТВ сигнала вещательного стандарта, форма которого по строкам и кадрам представлена на рис.3.1, входят следующие компоненты:

Рис. 3.1. Формирование видеосигнала

а) - передаваемое изображение, б)-сигнал при развертки строки а-а

Полный телевизионный сигнал (ПТВС) ТВ системы содержит следующие составляющие:

· Видеосигнал -

o сигнал яркости,

o строчные и кадровые гасящие импульсы (СГИ и КГИ),

o строчные и кадровые синхронизирующие импульсы (ССИ и КСИ, для синхронизации разверток),

o врезки в КСИ двойной строчной частоты,

o уравнивающие импульсы;

· Звуковой сигнал (несущая звука).

Величина видеосигнала, получаемого на выходе фотоэлектрического преобразователя, является функцией времени и пропорциональна яркости передаваемых элементов изображения, например, для черно-белого изображения показанного на рис.3.1, высокий уровень сигнала соответствует белому цвету соответствует, низкий уровень - черному цвету, а промежуточные уровни сигнала - градациям серого.

Рассмотрим назначение составных частей полного ТВ сигнала (ПТВС).

1. Видеосигнал несет информацию о яркостях передаваемых точек изображения - это то, что мы видим на экране телевизора.

2. Строчные к кадровые гасящие импульсы (СГИ и КГИ) предназначены для гашения лучей передающих трубок и кинескопа на время обратного хода разверток по строкам и кадрам соответственно. Это необходимо для того, чтобы светлые линии обратного хода не создавали помех на изображении в виде ряби от горизонтальных линий строчной развертки и наклонных линий по экрану от кадровой.

Гасящие импульсы передаются в конце каждой строки и полукадра на уровне черного (рис.3.2)

Рис. 3.2. Форма ТВ сигнала за период строки (а) и кадра (б)

3. Строчные и кадровые синхронизирующие импульсы (ССИ и КСИ) предназначены для обеспечения синхронной (одновременной) работы развертывающих устройств на передающей и приемной стороне. Этим достигается привязка начала координат разверток по горизонтали и вертикали телевизора и передающего оборудования.

Это очень важные составляющие ПТВС, поскольку отсутствие КСИ приведет к срыву кадровой синхронизации, где изображение будет бежать вверх или вниз, а отсутствие ССИ к срыву строчной синхронизации, где изображение будет бежать влево или вправо.

4. Врезки в КСИ обеспечивают нормальную работу строчной синхронизации во время действия КСИ. Отсутствие врезок приведет к искажению изображения в верхней части экрана за счет срыва строчной синхронизации во время действия КСИ, так как при одинаковом размахе синхроимпульсов во время действия КСИ ССИ передаваться не будут.

5. Уравнивающие импульсы предотвращают слипание строк четного и нечетного полукадра. Дело в том, что при чересстрочной развертке в каждом поле разворачивается 312,5 (целое число + половина) строк, причем, если нечетный полукадр начинается с начала строки, то четный с ее половины (рис. 3.3).

При этом меняется интервал между соседними строчными и кадровыми синхроимпульсами. Кроме того, в КСИ нечетного полукадра находится 3 врезки, а в КСИ четного полукадра - 2. Для выравнивания импульсной картины в четном и нечетном полукадрах применяют врезки двойной строчной частоты, а также вводят специальные уравнивающие импульсы двойной строчной частоты по 5 штук до и после КСИ, как показано на рис.3.3.

6. Постоянная или средняя (яркостная) составляющая видеосигнала возникает из-за того, что видеосигнал по своей природе сигнал не гармонически, а импульсный, не симметричный, следовательно он имеет постоянную составляющую, которая зависит от передаваемого сюжета изображения и может меняться с частотой 2-3 Гц.

Если принять размах всего ПТВС за 100 %, то собственно сигнал изображения (видеосигнал) от уровня белого то уровня черного занимает 70%, а сигналы синхронизации располагаются ниже уровня черного на 30%, т.е. их уровень - чернее черного. Это обеспечивает их надежное отделение от сигналов изображения в приемнике.

Рис. 3.3. Форма ПТВС при чересстрочной развертке

Таким образом, анализируя видеосигнал, можно сделать следующие выводы:

- он не является гармоническим колебанием, а имеет импульсный характер: в нем могут быть резкие перепады яркостей - границы, и участки одинаковой яркости - плоские вершины импульсов;

- исходный сигнал по своей природе униполярен (имеет одну полярность) и содержит постоянную составляющую;

- его можно представить как периодическую функцию с частотами повторения fc и fк.

4. Чересстрочная развертка

Зрительное восприятие дискретно во времени. Одиночный световой импульс будет зарегистрирован глазом, если его длительность превышает определенную величину tкр. Причем эта величина зависит от освещенности сетчатки, т.е. Еtкр = const, и меняется от сотых долей секунды, при больших освещенностях, до десятых. После прекращения действия светового потока глаз как бы продолжает «видеть» источник с яркостью, спадающей по экспоненциальному закону.

Критической частотой мельканий называется минимальная частота повторения световых импульсов, при которой наблюдатель воспринимает их как непрерывное излучение. Она зависит от средней яркости поля наблюдения, размеров мелькающего участка и т.д. Для яркостей экранов современных ТВ критическая частота мельканий равна 46-48 Гц.

Для получения плавного движения изображений движущихся объектов достаточно передавать 16-24 фазы их движения в секунду. В телевидении принята частота смены кадров 50 Гц, которая перекрывает и критическую частоту мельканий (46-48), и критическое число фаз движения (16-24). Эта частота была выбрана с учетом ее равенства частоте промышленной сети с целью уменьшения заметности характерных помех от электросети - динамических искажений геометрии (искривление вертикальных краев изображения) и яркости (крупные горизонтальные светлые и темные полосы).

Но при такой частоте кадров и числе строк разложения 625 (прогрессивная развертка) - рис.4.1 (а), полоса частот ТВ сигнала получается около 13 МГц, что 40-е годы заняло бы половину коротковолнового диапазона, используемого тогда для ТВ вещания. Поэтому для уменьшения требуемой полосы частот канала было решено использовать чересстрочную развертку, в которой ТВ кадр передается за 2 полукадра (поля - четного и нечетного) в каждом из которых передается половина строк (312.5), как показано на рис.4.1(б). Причем, в первом полукадре происходит развертка нечетных строк, а во втором - четных. Частота полей выбирается равной 50 Гц, а полный кадр имеет частоту 25 Гц и, хотя в каждом полукадре разворачивается лишь 312,5 строк, за счет инерционности зрения изображения дух полукадров воспринимается слитно как один кадр с 625 строками. При этом полоса частот канала снижается до 6.5МГц.

Рис. 4.1. Принцип построчной (а) и чересстрочной развезвертки (б)

5. Спектральный состав телевизионного сигнала

На рисунке представлены основные компоненты спектра аналогового телевизионного сигнала.

Рис. 5.1. Спектр ТВ сигнала (SECAM)

Изображение в телевизионном сигнале передается амплитудной модуляцией.

Частотный диапазон видеосигнала может варьироваться, но обычно он занимает диапазон от 0 до 6 МГц. В этом диапазоне находятся основные компоненты яркости изображения.

Цветовая информация передается с использованием системы цветности, такой как NTSC, PAL или SECAM. На рисунке представлен спектр именно SECAM-сигнала.

Информация о цвете модулируется на другую частоту, обычно в диапазоне от 0,5 до 1,5 МГц, что позволяет различать цвета, сохраняя при этом совместимость с черно-белыми телевизорами.

Аудиосигнал обычно передается с помощью частотной модуляции. Диапазон аудиосигнала составляет примерно от 5,5 до 6,5 МГц. Как можно видеть на рисунке выше, частота несущей волны для аудиосигнала находится выше частоты видеосигнала.

Список литературы

1. Телевидение. Под ред. Джаконии В.Е. - М.: Радио и связь, 2002.

2. Самойлов В.Ф. Хромой Б.П. Телевидение. - М.: Связь, 1975

3. Основные параметры вещательного ТВ: [Электронный ресурс]. URL: https://sneg5.com/nauka/tehnika-i-tehnologii/televidenie.html

4. Физические основы телевидения: [Электронный ресурс]. URL: https://siblec.ru/telekommunikatsii/osnovy-radiosvyazi-i-televideniya/3-fizicheskie-osnovy-televideniya

Размещено на Allbest.ru