6.1.2. Спектральный состав телевизионного сигнала

Характерной особенностью телевизионного сигнала является широкий диапазон частот, занимаемый видеосигналом. Спектр час­тот видеосигнала ∆f определяется разностью между верхней f_В и нижней f_н граничными частотами:

∆f = f_B - f_H.

Нижняя граничная частота видеосигнала соответствует переда­че неподвижного изображения, имеющего минимальное число из­менений яркости. Наиболее простым является неподвижное изо­бражение, состоящее из двух деталей разной яркости, имеющих горизонтальную границу раздела. Такое изображение имеет одно изменение яркости при передаче одного кадра изображения. При чересстрочной развертке за нижнюю границу спектра f_H следует принять частоту, равную числу полей, передаваемых в секунду, т.е. f_H = 50 Гц. Эта нижняя граница спектра сохраняется и при переда­че любого сложного изображения, что объясняется условиями по­кадровой передачи изображения.

Верхняя частота спектра образуется при передаче максимально сложного изображения. Из анализа условий передачи наиболее сложного с точки зрения детальности телевизионного изображения следует, что верхняя частота спектра f_B определяется выражением:

f_B ≈ 0,5k_фz²f_к,

где k_ф - формат телевизионного изображения, равный 1,33; z - число строк разложения, равное 625; f_K - частота смены кадров, рав­ная 25 Гц при чересстрочной развертке. Расчет, выполненный по вышеуказанному соотношению, показывает, что f_B ≈ 6,25 МГц. Верх­няя частота определяет степень воспроизведения контуров мелких деталей телевизионного изображения. Это объясняется тем, что в горизонтальном направлении телевизионное изображение не имеет дискретной структуры. Поэтому горизонтальный размер элемента изображения определяется длительностью его передачи τ_эл, кото­рая обратно пропорциональна верхней граничной частоте спектра телевизионного сигнала f_B, т.е. f_B = 1/2τ_эл. С увеличением верхней частоты спектра длительность элемента уменьшается, а горизон­тальная четкость увеличивается. Следовательно, четкость изобра­жения по горизонтали определяется полосой пропускания телевизи­онной системы, которая практически соответствует верхней гранич­ной частоте спектра f_B, так как f_H ≈ f_B.

Рис. 6.4. Структура линейчатого спектра телевизионного сигнала

По аналогии с вертикальным разрешением горизонтальная чет­кость часто оценивается числом воспроизводимых телевизионных линий (твл) или элементов (отсчетов).

Поскольку полоса частот, занимаемая спектром телевизионного сигнала, прямо пропорциональна числу передаваемых в секунду кадров, то применение чересстрочной развертки позволяет сокра­тить эту полосу фактически в два раза.

Кроме основного спектра телевизионного сигнала, распростра­няющегося от 50 Гц до примерно 6,25 МГц, имеется еще небольшой участок в границах от 0 до 2...3 Гц. Этот участок спектра соответст­вует так называемой «постоянной» составляющей телевизионного сигнала, которая пропорциональна изменениям средней яркости телевизионного изображения. Например, при длительной передаче изображения испытательной таблицы средняя яркость не меняется, поэтому частота сигнала «постоянной» составляющей равна нулю. Однако во многих случаях, особенно при передаче кинофильмов по телевидению, средняя яркость телевизионного изображения меня­ется практически с частотой 2...3 Гц. Непосредственная передача сигнала «постоянной» составляющей в телевизионной системе не представляется возможной, так как многокаскадные видеоусилите­ли не пропускают электрические сигналы с частотами, близкими к нулю. Поэтому в телевизионной аппаратуре передача «постоянной» составляющей осуществляется косвенным путем, с помощью ам­плитудной модуляции (AM) СГИ ее спектр оказывается перенесен­ным в область основного спектра телевизионного сигнала. Затем сигнал «постоянной» составляющей усиливается и передается со­вместно с основным телевизионным сигналом.

Телевизионный сигнал при передаче неподвижного изображения является периодическим. Его спектр имеет линейчатый дискретный характер и состоит из частоты полей f_п и ее гармоник, частоты строк f_z и ее гармоник, а также боковых компонент, расположенных по обе стороны от каждой из гармоник частоты строк (рис. 6.4). Те­кущее значение частоты спектральных составляющих телевизион-' ного сигнала (f_T) можно представить в виде выражения

f_т=k_нf_z±m_нf_п,

где k_н и m_н принимают целые значения 0, 1, 2, 3. Составляю­щие k_нf_z (гармоники строчной частоты) образуют первичный спектр телевизионного сигнала или основные частоты. Амплитуды основ­ных спектральных составляющих с ростом частоты убывают по экс­поненциальному закону. Около каждой из основных частот спектра группируются боковые составляющие, обусловленные кадровой разверткой и движением деталей изображения. Они образуют вто­ричный спектр с частотами m_нf_п, кратными частоте кадровой раз­вертки.

Амплитуды составляющих вторичного спектра также убывают по экспоненциальному закону. Соотношение между амплитудами со­ставляющих первичного и вторичного спектров зависит от вида изо­бражения и расположения его относительно растра. Практически отношение максимума энергии к минимуму в спектре видеосигнала в зависимости от содержания изображения составляет величину от 2 до 35 дБ.

Если в изображении имеются преимущественно вертикальные линии или полосы, перпендикулярные горизонтальной оси, практи­чески вся энергия будет сосредоточена в составляющих первичного спектра с частотами k_нf_z. В целом основная энергия видеосигнала сосредоточена около гармоник f_z и образует дискретные зоны энергии, несущие информацию о передаваемом изображении.

При передаче подвижных изображений дискретная структура ка­ждого из участков спектра, расположенного по обе стороны от гар­моник строчной частоты, нарушается, и указанные участки приобре­тают сплошной непрерывный характер. Однако скорость смены кадров в телевизионной системе значительно превосходит ско­рость движения объектов в телевизионных изображениях, поэтому незаполненные промежутки в спектре сохраняются, а структура спек­тра по-прежнему остается почти периодической.

Такая структура спектра в принципе позволяет совместить два и более аналогичных сигналов. Нетрудно представить, что если вто­рой телевизионный сигнал имеет такой же дискретный спектр, но его отдельные участки по частоте размещены в промежутках первого, то оба сигнала можно передать в одном канале связи и затем вновь разделить. Это свойство спектра видеосигналов использова­но в цветном телевидении.