20 августа 2003
В.Майстренко. Спектр видеосигнала, как отражение потребительских параметров.
В.Майстренко
Алгоритм безопасности № 3, 2003
Потребителям нередко навязывается мнение, что совсем не обязательно передавать видеосигнал в полном спектре, а качество видеосистемы можно оценивать просто по экрану монитора, удовлетворяясь при этом "приемлемым изображением". Что же принять в качестве критерия "разумной достаточности" на этапе утверждения технического задания, при проектировании видеосистемы и сдаче ее заказчику?
Обычно на первое место ставится согласование параметров основных устройств системы - видеокамеры, устройств обработки видеосигнала и видеомонитора. Какой способ передачи видеосигнала при этом использовать, иногда даже не обсуждается. Под системой в целом понимают перечень основных устройств, забывая прo аппаратуру передачи, соединяющую эти устройства воедино. Какими бы хорошими параметрами не обладала видеокамера, для полной их реализации на мониторе, необходим соответствующий канал передачи видеосигнала. Недооценка глубокой проработки этого элемента системы говорит о том, что о видеосигнале многие проектировщики и специалисты по монтажу судят, в худшем случае, по изображению на мониторе, а в лучшем случае по временному представлению сигнала, - осциллограмме. Испытательные таблицы позволяют произвести итоговую оценку параметров системы. На уже построенной видеосистеме это позволит сделать вывод о степени реализации заявленных параметров. Главное, на что хочется обратить внимание, что при передаче видеосигнала передаются "не просто импульсы", а по сути дела "спектр" со всем многообразием его составляющих, занимающих строго определенный диапазон частот. Задача выбора системы передачи сводится к тому, чтобы предотвратить искажение спектра видеосигнала в процессе передачи.
Начиная разговор о частотном представлении сигнала, рассмотрим, как зависит от характера передаваемого изображения, положение тех или иных его составляющих на оси частот.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ПО ОСИ ЧАСТОТ ПРИ ЧЕРЕССТРОЧНОЙ РАЗВЕРТКЕ
Управление работой развертывающих устройств, как видеокамеры, так и кинескопа видеомонитора, осуществляется с помощью строчных и кадровых синхронизирующих импульсов. Именно видеокамера вырабатывает импульсы синхронизации для видеомонитора. Но благодаря этому, комплексный сигнал изображения носит импульсный характер, что приводит к большой ширине спектра частот видеосигнала, во многие сотни раз превышающей полосу частот при передаче речи или музыки. Необходимо знать основные параметры спектра частот телевизионного сигнала и использовать их для подбора аппаратуры. Для качественной передачи видеоизображения аппаратура должна иметь полосу пропускания, соответствующую спектру этого сигнала.
Низшая частота сигнала изображения
На рисунке 1 во фрагменте (1) показан самый низкочастотный сигнал, который получается при передаче неподвижного изображения, состоящего из двух горизонтальных полос - белой и черной. Соответствующий этому изображению сигнал представляет собой импульсы, следующие с частотой кадровой развертки Fкадр = 50 Гц.
Рис. 1. Зависимость частоты первой гармоники сигнала от передаваемого изображения
Изображению (2) соответствует сигнал с частотой основной гармоники в три раза более высокой (mг/2), чем у (1), так как каждой паре полос соответствует один период сигнала. Частота основной гармоники изображения (3) будет равна частоте строк. Частота основной гармоники изображения (4) будет в четыре раза более высокой (mв/2), чем (3). С увеличением числа вертикальных полос и с уменьшением их ширины частота сигнала изображения будет соответственно расти. При равенстве ширины полос размерам элементов разложения частота сигнала изображения достигает своего максимального значения. На рисунке 1 наглядно видно, какой характер изображения на экране монитора соответствует тому или иному положению сигнала на оси частот. Исходя из этого, выбирается требуемая полоса пропускания системы передачи. Под системой передачи будем подразумевать кабельную линию, имеющую точно определенную характеристику затухания видеосигнала на различных частотах, и соответствующие этой линии передающее и приемное устройства, в комплексе обеспечивающие коррекцию частотных искажений.
Какой же полосой пропускания должна обладать по-настоящему качественная система передачи аналогового видеосигнала?
Найдем максимальную частоту видеосигнала.
При том типе развертки, которая применяется в системах замкнутого телевидения (чересстрочной), частота следования кадров fкадр = 25 Гц. Максимальная частота видеосигнала при этом будет равна: fc макс = 4·6252·25/(3·2) = 6510416 Гц ≈ 6 МГц.
Применение чересстрочной развертки позволяет:
- с одной стороны, взять частоту полукадров (частоту кадровой развертки Fкадр), определяющую мерцание экрана, равной частоте электросети 50 Гц и этим самым ликвидировать мерцание и ослабить помехи от сети переменного тока;
- с другой стороны, частота кадров fкадр при этом оказывается равной 25 Гц, что определяет высшую частоту сигнала изображения - 6 МГц.
При построчной развертке с fкадр = 50 Гц высшая частота сигнала изображения была бы 13 МГц. Минимальная частота сигнала изображения fc.мин остается, равной частоте кадровой развертки, Fкадр = 50 Гц (т.е., частоте полукадров - полей), частота кадров fкадр = 25 Гц - в два раза ниже. Очевидно, что полоса частот видеосигнала простирается от 50 Гц до 6 МГц и вся она занята сигналом.
СПЕКТРАЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛОВ
При чересстрочной развертке существует значительная взаимная зависимость между видеосигналами в соседних полях и кадрах. Это позволяет считать видеосигнал периодичным с частотой кадровой развертки при передаче изображений неподвижных объектов. Видеосигналу присуща также определенная периодичность с частотой строк в результате высокой степени связи сигналов в соседних строках.
С учетом высокой взаимной связи между строками и кадрами можно представить напряжение сигнала как временную функцию с периодом повторения строчной Тс.р. и кадровой Тк.р. разверток. Периодичность видеосигнала при передаче изображений неподвижных объектов является его главной особенностью.
Периодическое колебание состоит из суммы постоянной составляющей (частота которой равна нулю) и ряда гармонических (синусоидальных) колебаний. Амплитуда частотных составляющих телевизионного сигнала падает с ростом частоты (номера гармоники). Первая гармоническая составляющая с частой fk1 = Fкадр = 50 Гц. Далее низкочастотный участок спектра 'занят гармониками частоты кадровой развертки. Вторая гармоника имеет частоту fk2 = 2Fкадр = 100 Гц. Частота строк (625-я гармоника частоты кадров) и все ее гармоники являются гармониками частоты кадров. Fстр = Zfкадр = 625x25 = 15625 Гц
Как видно из рисунка 2, при передаче неподвижных изображений около составляющих спектра гармоник частоты строк fстр группируются боковые спектры, имеющие также вид дискретных линий, кратных частоте кадровой развертки Fкадр (±50Гц). В случае однокадровой передачи, когда частота кадров стремится к нулю и спектральные линии сольются, спектр преобразуется в непрерывный. Наличие в полном (композитном) телевизионном сигнале строчных гасящих и синхронизирующих импульсов увеличивает интенсивность гармоник спектра сигнала, кратных строчной частоте, по их числу и амплитуде.
На рисунке 2 спектр видеосигнала представлен схематически. Главной задачей было показать, что амплитуды спектральных составляющих убывают с ростом частоты, причем скорость убывания амплитуд и ширина спектра определяются содержанием изображения. Спектр состоит из "сгустков энергии" (максимумов) на частотах, кратных частоте строк и расположенных между ними "нулей" - минимумов. На самом деле максимумов и минимумов в спектре гораздо больше, чем изображено на рис. 2. Достаточно сказать, что частоте 1 МГц - соответствует 64-я гармоника частоты строк. Сто двадцать восьмая гармоника частоты строк fc128 = 2 МГц, fcl92 = 3 МГц, fс256 = 4МГц, fc320 = 5 МГц, fc384 - б МГц, fc400 = 6,25 МГц.
Рис. 2. Структура спектра видеосигнала
В системах замкнутого телевидения в основном передаются движущиеся изображения, поэтому сигнал последующего кадра будет несколько отличаться от сигнала предыдущего. Считать его чисто периодическим уже нельзя, следовательно, и его спектр дискретным уже не будет. Дискретные линии спектра неподвижного изображения при движущемся изображении "расплывутся" в полосы, участки, заполненные сигналом. Это хорошо видно на рисунке 3. Около каждой дискретной составляющей спектра появляются дополнительные верхняя и нижняя боковые полосы, в результате спектр видеосигнала становится более плотным.
Рис.3. Расширение спектра при движущемся изображении
На практике отклонение частоты повторения сигнала от частоты строчной развертки fстр = 15625 Гц составляет всего лишь "единицы Гц". При изменении динамики изображения меняется и положение линий спектра. Спектр как бы "дышит" относительно гармоник частоты строк. Участки полос сигнала будут тем больше, а пустые промежутки тем меньше, чем выше скорость движения деталей передаваемого объекта.
Но даже при сравнительно высоких скоростях, пустые промежутки в спектре сигнала оказываются настолько значительными, то в них можно поместить дополнительную информацию о цветности передаваемых объектов. Речь идет о поднесущей цветности, которая представляет собой радиоимпульс с длительностью 2,25 мкс и несущей частотой 4,433б МГц. "Импульсный характер" цветового синхроимпульса определяет то, что его спектр имеет достаточно большую ширину и по форме также является дискретным. На рис. 2 видно, как сгустки энергии спектра цветового синхроимпульса размещаются в промежутках спектра сигнала яркости. Происходит так называемое "переплетение спектров", когда спектры двух сигналов: яркостного сигнала и сигнала цветности занимают общие участки частотной оси, не нарушая при этом выполнения каждым из сигналов своих функций. На рис. 3 спектр сигнала цветности вынесен, для наглядности, несколько вниз.
Главное состоит в том, что все это многообразие частотных составляющих надо при передаче сохранить. Чем больше гармонических составляющих принимает участие в формировании выходного сигнала, тем более точно он соответствует входному, исходному сигналу. Не имеет значения, что более высокочастотные гармоники спектра видеосигнала имеют малые амплитуды. Они и должны быть такими и их значением нельзя пренебрегать. Нельзя запросто ограничить спектр полосой частот в 3МГц и ждать от системы хорошего распознавания деталей. Скорее всего, такая система позволит очень хорошо отличать только день от ночи.
Большинство видеосистем наблюдения имеют ограниченное число видеокамер, необходимая зона видимости перекрывается за счет применения широкоугольных объективов, при этом линейные размеры человека (а именно он в охранном телевидении является интересующим нас объектом) на экране монитора измеряются миллиметрами. Для решения задачи опознавания людей, автомобилей и других специфических объектов, необходимо обеспечить высокую разрешающую способность видеосистемы. На разрешающей способности мы остановимся ниже, а сейчас еще раз отметим, что только в системе с полосой пропускания не менее 6МГц можно обеспечить потенциально высокое разрешение. При наличии определенного опыта оценить качество видеосигнала можно и с помощью осциллографа. Для этого надо представлять, как влияют частотные искажения на форму строчных синхроимпульсов.
ВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ВИДЕОСИГНАЛА
В составе полного телевизионного сигнала (см. Рис.4) строчные и кадровые синхроимпульсы располагаются ниже уровня черного, совпадающего с уровнем вводимых в сигнал гасящих импульсов. При этом гасящие импульсы служат пьедесталом для синхроимпульсов. Во время обратного хода по строкам и кадрам сигнал принимает минимальное значение -уровень черного. Уровень "черного" всегда стабилизируют. Наибольшее значение сигнала называют уровнем белого. Уровень белого, а вместе с ним и средний уровень сигнала (постоянная составляющая), изменяется и зависит от яркости наиболее светлых участков передаваемого изображения. Такие соотношения характерны для качественного видеосигнала, с которым будут хорошо работать любые цифровые устройства.
Рис. 4. Осциллограмма полного черно-белого телевизионного сигнала
Рис.5. Осциллограмма полного цветного телевизионного сигнала
На рисунке 5 приведена осциллограмма видеосигнала, поступающего от цветной видеокамеры. Документирование видеосигнала было произведено при большом усилении канала вертикальной развертки (50 мВ/деление), чтобы можно было зафиксировать импульс цветовой синхронизации - "вспышку поднесущей". Это двухполярный радиоимпульс с частотой 4,43 Мгц и размахом около 0,3 В (точнее 0,286 В), расположенный, как на пьедестале, на удлиненной полочке строчного гасящего импульса за строчным синхроимпульсом. На осциллограмме, размах синхроимпульса цветности не достиг даже величины 0,1 В. Это следствие того, что граничная частота используемого осциллографа составляет всего 5МГц. Для измерения параметров радиоимпульсов (с частотным заполнением) этого недостаточно. Трудность в фиксации на обычном осциллографе, не имеющем системы выбора строки, заключается еще и в том, что так называемая "вспышка поднесущей" в системе PAL действует в течение ограниченного времени, - в течение 8-ми полей, поочередно дважды по два периода в четных и нечетных строках.
Таким образом, в отличие от строчных синхроимпульсов, следующих с постоянной частотой 15625 Гц, "вспышка поднесущей" представляет собой "пачку" из 8-10 импульсов с частотой fстр с последующим перерывом более чем на 600 тактов строчнойразвертки. Все это накладывает свой отпечаток на спектр последовательности этих сигналов: в спектре появляются новые составляющие и они расширяются. Возникает законный вопрос, почему с помощью осциллографа с граничной частотой 5 МГц нельзя без искажения формы и амплитуды наблюдать радиоимпульс с частотой 4,43 МГц?
На первый взгляд кажется, что если полосу пропускания устройства передали ограничить частотой, несколько превышающей частоту цветовой поднесущей, то можно обеспечить передачу цветного изображения. На самом деле, спектр радиоимпульса, которым является "вспышка поднесущей" цветовой синхронизации, достаточно широкий. Он занимает полосу частот от 3,10 МГц до 5,77 МГц с центральной частотой 4,43 МГц. Поэтому, для качественной передачи цветного видеосигнала необходима полоса пропускания системы не ниже 5,77 МГц. Это практически те же б МГц, которые мы определили при нахождении максимальной граничной частоты видеосигнала. На рис. 1 при вычислениях получилось число fс.макс = 6,5 МГц. Как будет показано при рассмотрении разрешающей способности системы, в системах замкнутого телевидения для обеспечения высокого разрешения по горизонтали, в некоторых случаях необходимо обеспечить полосу до 7 МГц.
Рис. 6. Спектр радиоимпульса
Теперь должно стать понятным, почему на осциллограмме (Рис.5.) радиоимпульс отображается с небольшой амплитудой –усилитель осциллографа с полосой 5 МГц его просто "зарезал". Чтобы при прохождении через усилительные цепи осциллографа не было ограничения спектра радиоимпульса, ширина полосы пропускания осциллографа должна быть не менее 6 Мгц, а лучше -10 МГц.
Те же самые ограничения спектра происходят и в усилителях устройств передачи видеосигналов. Если полоса пропускания устройств передачи видеосигнала ограничивает его спектр, то на приемной стороне мы будем наблюдать искаженный сигнал, а на мониторе - искаженное изображение.
Продолжение в следующем выпуске Sec.Ru
Об авторе: В. Майстренко, ООО Тахион
Источник: Алгоритм безопасности
