Верхняя граничная частота телевизионного сигнала

Знание этой частоты позволяет определить основное требование к каналу связи – ширину его полосы пропускания. Самая высокая частота телевизионного сигнала получится, очевидно, в том случае, если изображение представляет из себя чередование темных и светлых минимальных по размеру элементов, т.е. шахматное поле с минимально возможными по размеру клетками. Электрический сигнал, соответствующий такому изображению, имеет вид меандра (прямоугольные импульсы со скважностью q =2). Обычно считают, что для передачи такого самого высокочастотного сигнала можно ограничиться его первой гармоникой. Тогда

. (3)

При выводе формулы предполагалось, что время обратного хода разверток пренебрежимо мало.

Возникает вопрос, каким же следует взять число кадров в секунду n_к ? Из опыта кинематографа известно, что зритель воспринимает движение вполне удовлетворительно, если n _к лежит в пределах 16...18 к/с. В современном звуковом кино n _к = 24 к/с. В те годы, когда разрабатывались первые стандарты электронного телевидения, считалось полезным (для облегчения борьбы с так называемыми фоновыми помехами) иметь n _к целочисленно кратным частоте питающей сети. Поэтому в европейских стандартах обычно n _к =25 к/с (в стандарте США n _к =30 к/с). Несложно убедиться, что верхняя граничная частота при этом, считая Z=625 и р=4/3, получается равной 6,5 МГц. Это достаточно широкая полоса частот, чтобы отнестись к ней с должным вниманием.

Чересстрочная развертка

Необходимо рассмотреть еще один вопрос, имеющий отношение к выбору числа кадров в секунду. Оказывается, если создать телевизионную систему с частотой кадровой развертки F_к = 25 Гц, изображение на телеэкране будет мигать. Причина лежит в свойствах нашего зрения. Если глазу предъявить последовательность вспышек с яркостью L, то ощущение света в нашем зрительном анализаторе S будет меняться по экспоненте (рис.1).

Глубина провала S зависит от частоты вспышек. Когда при увеличении частоты вспышек этот провал становится менее 5%, глаз перестает замечать мигание источника света.

Соответствующая этому событию частота называется критической частотой мельканий (или мерцаний).

*

L , S

L S

S

t

Рис. 1.

Она нелинейно зависит от яркости и для яркостей порядка 50...100 кд/м² лежит в районе 48...50 Гц. Приближенная формула для критической частоты

F_кр =10 lg L + 30. (4)

Следует четко уяснить, что данное явление не имеет никакого отношения к слитности передачи движения. Мигать при недостаточной частоте кадров будет любое, в т.ч. неподвижное изображение, даже простейшее белое поле.

Если решить задачу устранения мигания «в лоб», увеличив в два раза частоту кадров, одновременно получим расширение в два раза ширины спектра сигнала в соответствии с формулой (3) и, соответственно, полосы пропускания канала связи, а за полосу нужно платить. Увеличение количества информации в единицу времени, объективно приводящее к улучшению слитности передачи движения, субъективно уже не воспринимается телезрителем, т.к. и при 25 к/с движение воспроизводилось вполне удовлетворительно.

Обходной путь можно найти, если снова обратиться к опыту кинематографа, где каждый кадр демонстрируется кинозрителю дважды (в любительском кино, где n _к = 16...18 к/с, даже трижды). В телевидении применяют похожий прием, разбивая кадр на два полукадра (поля) через строку и передавая эти полукадры по очереди. При этом число полных кадров в секунду n _к остается прежним (в нашем стандарте 25 к/с), а частота кадровой развертки и, следовательно, частота мельканий яркости увеличиваются вдвое при той же верхней граничной частоте F_в.гр. . Следует заметить, что коэффициент чересстрочности  , равный числу полей в полном кадре, может быть любым целым числом, а не только двойкой, но с увеличением  эффективность чересстрочной развертки уменьшается. Нетрудно убедиться, что череcстрочная развертка реализуема только при выполнении соотношения

Z = k + 1, (5)

где k – целое число. Очевидно, что частота F_к = n _к . Попутно можно отметить, что частота строчной развертки f_c = n _к Z. (6)

При Z = 625 и n _к = 25 к/с получаем f_c = 15625 Гц.

*

На рис.2 показан пример построения чересстрочного растра для Z=5 и =2. Каждое поле содержит половинку строки, причем первое поле начинается целой строкой и заканчивается половиной строки, а второе поле начинается половиной и заканчивается целой строкой.

Рис. 2.

Следует отметить, что рис.2 имеет неточности в части изображения обратного хода между полями (по кадру). На самом деле время обратного хода по кадру одинаково в обоих полях и намного больше, чем длительность строки.

Чтобы завершить рассмотрение принципиальных вопросов, связанных с разложением изображения, вернемся к формуле (3). Ранее было отмечено, что эта формула не учитывает потерь времени на обратный ход разверток. Эти потери принято учитывать отношением длительности обратного хода Т₂ к периоду развертки: – для кадровой развертки, – для строчной развертки. Потери за счет обратного хода по кадру приводят к тому, что не все Z строк используются для передачи информации об изображении, т.е. ширина спектра сигнала становится меньше. Потери за счет обратного хода по строке приводят к тому, что то же самое количество информации об изображении должно быть передано за меньшее время, т.е. ширина спектра сигнала становится больше. Поэтому коэффициент в формуле для верхней граничной частоты, учитывающий потери времени на обратный ход разверток, выглядит так:

(7)

Обычно в эту формулу вводят еще один коэффициент, учитывающий свойства нашего зрения. Оказывается, большинство телезрителей не замечает ухудшения качества изображения, если ширину спектра сигнала несколько уменьшить. Этот коэффициент k _ЗР чаще всего принимают равным 0,8...0,85 (хотя иногда эта величина заметно меньше – до 0,7 ).

С учетом этих двух поправок ширина спектра телевизионного сигнала при отечественном стандарте оказывается равной приблизительно 6 МГц. Это соответствует длительности минимального элемента изображения 83 нс.