2.2.6.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:

г де 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.