Основы радиовещания и телевидения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛЕКЦИЯ 1. Основы радиовещания и телевидения

Остановимся кратко на истории создания радио и телевидения. Впервые радиопередача была осуществлена Поповым и Маркони в конце девятнадцатого века.

В развитии телевидения выделяются следующие периоды:

- зарождение идей до 1920 года, (открытие фотоэлектрического эффекта Беккерелем, изобретение диска Нипкова, создание первой электронно-лучевой трубки Розингом в 1907 году).

- эпоха механического телевидения до 1935 года.

- электронное черно-белое телевидение до 1966 года.

- электронное цветное телевидение и телевидение высокой четкости (ТВЧ).

В России регулярное вещание оптико-механической системы телевидения с разложением на 40 строк началось в 1931 году. Впервые электронное телевизионное вещание было осуществлено в Лондоне в 1936 году, затем во Франции, Германии и Италии. В США первое вещание состоялось в 1939 году. Первая коммерческая система цветного телевидения была запущена в США в 1953 году.

Основным назначением телевизионных систем(ТВС) является формирование на экране воспроизводящего устройства изображения передаваемых сцен в реальном времени или с использованием видеозаписи, как правило, на значительном от них расстоянии. Блок-схема ТВС приведена на рис.1.

сигнал видеозапись плазменный звуковой



Оптический сигнал через систему зеркал проецируется на фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), где преобразуется в электрический сигнал, после чего поступает в тракт передачи сигнала. На приемном конце сигнал подвергается обработке и подается на электронно-лучевую трубку. То есть весь процесс передачи изображения делится на три части:

- формирование электрического сигнала из визуального

- передача этoго сигнала по каналу

- получение визуального сигнала из электрического.

В данной последовательности и будет построен учебный курс. Мы рассмотрим методы формирования электрического сигнала, способы их передачи и приема. Составной частью телевидения является и передача на расстояние звукового сопровождения.

Поскольку восприятие человеком изображения и звука связано с особенностями его зрения и слуха, рассмотрим вкратце специфику и механизмы их построения.

Наиболее привычным для человека носителем информации об окружающей среде является видимое излучение(область спектра электромагнитных колебаний с длиной волны примерно от 360-760 нм), которое непосредственно воспринимается глазом человека(рис.2).



Глазное яблоко представляет из себя шарообразное тело диаметром около 24 мм, окруженное сравнительно твердой оболочкой - склерой, переходящей в передней части глаза в роговицу. Благодаря хрусталику, имеющему форму двояковыпуклой линзы и роговице, на сетчатке формируется перевернутое изображение предметов. С передней стороны хрусталик прикрывается радужной оболочкой, образующей зрачок и управляющей апертурой глаза, т.е. величиной раскрытия зрачка. Хрусталик благодаря действию удерживающих его мышц обладает способностью изменять радиусы кривизны передней и задней поверхностей, изменяя фокусное расстояние и фокусировку изображения на сетчатке. Это свойство глаза называют аккомодацией. Светочувствительными элементами глаза являются колбочки( более шести миллионов штук), отвечающие за цветовое восприятие и палочки (сто тридцать миллионов), обладающие большей световой чувствительностью, но не распознающие цвет.

Колбочки концентрируются, в основном, в области желтого пятна на участке сетчатки, обладающей свойствами наилучшего видения.

Палочки сконцентрированы на переферии и являются аппаратом сумеречнего видения.

Светочувствительные элементы глаза преобразуют световую энергию в нервные импульсы, частота следования которых определяется интенсивностью падающего света , которые через нервные волокна и зрительный нерв передаются в зрительные центры головного мозга. Световой динамический диапазон глаза равен миллиарду. Способность глаза приспосабливаться к различным яркостям наблюдаемого изображения называется адаптацией. Время темновой адаптации глаза порядка 30-50 минут, световой - 8-10 минут.

Рассмотрим теперь некоторые характеристики глаза, представляющие непосредственный интерес при изучении нашего курса:

- Разрешающая способность глаза оценивается тем минимальным углом, под которым раздельно видны две рядом расположенные детали изображения, разделенные промежутком, имеющим яркость, отличную от яркости рассматриваемых деталей. Этот угол называют углом разрешения глаза. Например для различения двух деталей изображения разомкнутого кольца необходимо, чтобы на сетчатке оставалось некоторое пространство, возбуждение которого отлично чем на участках а' и б'(рис.3).

Минимальное значение угла и является углом разрешения. В некоторых случаях вводят понятие остроты зрения - величины обратной углу разрешения.

К числу принципиальных физических факторов, влияющих на разрешающую способность глаза относится дифракция света, дискретность структуры сетчатки и др.

Известно также, что при прослеживание глазом движущихся объектов острота зрения быстро ухудшается с увеличением угловой скорости объекта наблюдения.

Отсюда следует очень важный вывод, что для динамических (движущихся) объектов, дискретизация может быть более грубой.

Характеристики разрешающей способности глаза являются основными для расчета необходимой разрешающей способности ТВС.

- бинокулярное зрение позволяет человеку воспринимать пространство трехмерным, хотя изображение на сетчатке двумерное. Существенную роль в объемном восприятии играют аккомодация, восприятие перспективы, относительное перемещение объектов, образование теней и т.д. Глаза при фиксации объектов поворачиваются (конвергируют) так, чтобы изображение формировалось в области желтого пятна. Углы конвергенции и позволяют получить информацию об удалении объекта.

Основная роль в ощущении объемности связана с различием изображений на сетчатках правого и левого глаза. Чем больше по дальности разнесены объекты, тем больше отличаются отрезки а1b1 и а2b2. Порог стереозрения можно выразить как минимальную разность углов ?1 и ?2. Этот порог составляет 10”-30 “. Этот механизм лежит в основе объемного (стереоскопического) телевидения.

- восприятие мерцающих изображений.

В условиях наблюдения телевизионного изображения глаз человека работает в режиме воздействия на него периодически изменяющихся световых потоков. Установлено, что при частоте мерцания выше 46 Гц, человек воспринимает изображение как слитное. Это связано с инерционностью зрения человека. Это число рассчитано для центральной зоны наилучшего видения глаза и определяется инерционностью возбуждения колбочек. Для широкоформатных телевизоров с большим экраном неизбежно возбуждаются и переферийные участки сетчатки, поэтому частота мерцаний должна быть выше. Исходя из этого и из-за помех, вызываемых влиянием электросети первые телевизионные стандарты предписывали частоту кадров 50 Гц в Европе и 60 Гц в США.

- цветовое зрение.

Человеческое зрение способно различать семь различных цветов в спектре оптического диапазона. Приведем их в порядке возрастания частоты спектра: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.

Колбочки содержат родопсин(зрительный пурпур), который при воздействии света распадается на витамин А и белок. Освобождающаяся при этом энергия создает сигнал в нервном волокне. Поскольку наши колбочки содержат три типа различных светочувствительных химических реагентов, человек воспринимает только три цвета(красный, зеленый и синий), а остальные являются их комбинацией.

Рассмотрим далее механизмы восприятия звука человеческим организмом.

Звуковые волны представляют собой изменение давления воздуха в атмосфере. Достигая уха человека, они вызывают колебания барабанной перепонки, которые через механизм трех косточек , молоточка, наковальни и стремечка, передаются на мембрану овального окна в улитке.

В жидкости, заполняющей улитку, образуются стоящие волны, вызывающие вибрацию базальной мембраны улитки.

Колебания последней через орган Корти передаются на более высокие уровни слухового отдела нервной системы. Устройство слухового аппарата человека.

Динамический диапазон отношения интенсивности звуков составляет 140 dB.

Улитка и ее элементы работают как преобразователь частота-положение, в котором положение максимума амплитуды вибраций базальной мембраны зависит от частоты возбуждения. При этом более сильные сигналы будут маскировать(подавлять) более слабые, попадающие в тот же частотный диапазон. Именно из-за этого, мы не можем слышать чей-то шепот, когда кто-то кричит рядом. Эффект маскирования наблюдается и во времени, когда сильный звук подавляет предыдущий(маскирование назад) или предшествующий(маскирование вперед). Длительность маскирования назад составляет 5-50 м.сек, а вперед- 50-200. Явление маскирования, как мы увидим в дальнейшем, важно с точки зрения компрессии динамического диапазона звука.

Лекция 2

На прошлой лекции мы обсудили, что ТВС состоит, в основном, из трех частей:

- формирователя телевизионного сигнала

- тракта передачи

- приемной части

В сегодняшней лекции мы рассмотрим основные принципы анализа изображения в формирователе телевизионного сигнала.

Для формирования изображения используется принцип разбиения изображения на отдельные элементы, которые могут передаваться параллельным или последовательным путем, с использованием оптических и электрических каналов связи.

Параллельная передача сигналов используется только при передаче на короткие расстояния. Один из способов- при помощи пучка световодов, на входной торец которых проецируется при помощи зеркал оптическое изображение сцены. Разбиение изображения на элементы реализуется за счет мозаичной структуры торца оптоволокон, по каждому из которых световой поток передается к выходному торцу, где воспроизводится исходное изображение. Вместо оптических световодов на входе и выходе может осуществляться преобразование свет-электрический сигнал и обратно.

Обычно, для передачи изображения используется один канал связи и способ последовательного преобразования и передачи сигналов.

Рассмотрим данный метод на примере диска Нипкова, где используется оптико-механический способ разложения изображения с помощью непрозрачного диска с отверстиями, расположенными по спирали.

Расстояния по дуге между отверстиями составляют равную угловую величину, а смещения по радиусу от периферии к центру равны диаметрам отверстий. Оптическое изображение формируется в плоскости диска, вращающегося при помощи электродвигателя. В плоскости изображения, ограниченного полевой диафрагмой, в любой момент времени находится только одно отверстие - элемент разложения. Далее световой поток с помощью конденсора направляется на фотодетектор, где преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный значению освещенности соответствующего элемента разложения. Обеспечив синхронность и синфазность вращения дисков на передающей и приемной сторонах, с помощью обратного преобразователя и аналогичного диска, можно синтезировать изображение на приемной стороне. Ясно, что количество строк в такой системе ограничено.

К основным характеристикам разложения изображения относят количество строк разложения, траекторию разложения, формат растра и количество полных изображений, передаваемых в единицу времени(частоту кадров).

Перемещение разлагающего элемента в процессе анализа и синтеза изображения по определенному закону называют разверткой. Последняя может осуществляться с помощью электронных пучков или электрической коммутации светочувствительных элементов.

Последовательность коммутации элементов изображения, или траектория разложения, может быть различной. В телевидении наиболее распространенными являются построчное и через строчное разложения с постоянными скоростями движения по горизонтали и вертикали.

Время передачи каждого элемента изображения будет одинаковым. Более эффективно применение через строчных растров, где передача всего кадра изображения производится не за один, а за несколько циклов, например, за два.

Для его реализации при прочих равных условиях вертикальную скорость отклонения увеличивают в два раза. Полное изображение будет передано за две развертки; первая формирует совокупность нечетных строк(первое поле), вторая- четных(второе поле). При этом полное число строк в кадре

Z = n (z+0.5)

где z - число целых строк в поле,

n - кратность через строчного разложения.

Таким образом, при реализации через строчного разложения на два поля полное число строк должно быть нечетным.

Разумеется при синтезе изображения траектория разложения должна соответствовать последней на передающей стороне или необходимо использовать пространственно-временные преобразования видеосигнала.

С учетом того, что реально для перемещения разлагающего элемента в начало строки и кадра требуется вполне определенное время, периоды передачи Tx, Ty и кадра Tк делятся на две части; активные, в течении которых передается информация непосредственно об изображении и пассивные, в течении которых осуществляются обратные ходы разлагающего элемента и, как увидим ниже, передается дополнительная информация, обеспечивающая функционирование различных элементов ТВС.

Выбор количества строк разложения Zopt или числа элементов в растре

n opt =kZ2opt

базируется на свойствах глаза по различению мелких деталей изображения.

Две точки, воспроизводимые на телеэкране, будут восприниматься раздельно, если они расположены по крайней мере через строку растра, т.е. на расстоянии не менее 2? и просмотре под углом ???min, где ?min - угол разрешения глаза.

С учетом малости угла можно записать

? = 2 ?/a = 2h/aZ,

где а - расстояние от глаза наблюдателя до экрана.

При этом

Zopt = 2h/a ?min

и зависит от относительного расстояния рассматривания изображения a/h. Обычно это значение составляет 3-12, что соответствует Zopt от1500 до 380 строк. Для формата k=4/3 предпочтительным является соотношение a/h=6, что соответствует значению Zopt=760.

Поскольку максимальная частота сигнала изображения

f max = 0.5 kZ2fкадра

зависит от количества строк, стремятся, по возможности, уменьшить их число.

Исходя из этого, европейский стандарт разложения предусматривает 625 строк, американский -525, а стандарты телевидения высокой четкости(ТВЧ) - 1250 и1125(a/h=3).

В телевидении изображение воспроизводится в виде последовательной серии статических кадров. Выбор частоты кадров определяется двумя факторами:

- условием восприятия слитности движения

- необходимостью превышения критической частоты мельканий.

Опыт показывает, что для первого фактора достаточна передача со скоростью16-20 кадров в секунду. Для превышения же критической частоты мельканий(46Гц) в телевидении увеличивают частоту «вспышек» экрана за счет использования через строчной развертки.

Таким образом, частота полей в европейском стандарте выбрана 50 Гц, а в американском - 60 Гц.

Как было отмечено ранее, критическая частота мельканий для периферийных участков сетчатки глаза выше, чем для центральных. Поэтому в современных широкоформатных телевизорах используются мультиплексоры, повышающие частоту воспроизведения.

Обратимся теперь к системе воспроизведения цветного изображения. Как уже упоминалось, системы цветного телевидения основаны на трехкомпонентной теории цветового зрения. В связи с этим, наряду с дискретизацией изображения в пространстве и времени в системах цветного телевидения производят разделение изображения на три цветоделенных.

Из многочисленных методов формирования сигналов цветного телевидения рассмотрим два, основанных на последовательной во времени и одновременной передаче цветоделенных изображений.

В последовательной системе цветоделение осуществляется с помощью вращающегося между плоскостью изображения и объективом диска со светофильтрами красного, зеленого и синего цвета. Если на приемном конце синхронно и синфазно производить смену светофильтров, расположенных между экраном и зрителем, то он будет видеть цветное изображение передаваемой сцены. Однако при этом, частоту смены цветоделенных изображений приходится выбирать в три раза больше чем в черно-белой ТВС, что приведет при сохранении числа строк к трехкратному расширению полосы частот передаваемого сигнала. Поэтому данная система из-за присущих ей недостатков

- несовместимость с действующими ТВС

- появление цветных окантовок при быстрых перемещениях объектов в поле изображения

- наличие механического устройства смены цветов

применяется только в ТВС специального назначения.

В системе одновременного типа цветоделенные изображения формируются светоделительными устройствами. При этом для передачи их по каналам связи связано с особенностями их обработки в передающей и приемной частях.

Обеспечение колориметрически правильной цветопередачи связано с выбором спектральных характеристик фотоэлектронного преобразователя(ФЭП), устройства цветоделения с учетом спектральной характеристики источника освещения и функции сложения цветовой системы кинескопа. Неизбежно возникающие при этом ошибки цветопередачи, уменьшают при помощи цветокорректора, который представляет из себя аналоговое или цифровое устройство, реализующее матричное преобразование сигналов изображения. Для поддержания синхронного режима работы различных узлов ТВС необходимо формирование синхроимпульсов, обеспечивающих жесткую привязку между соответствующими событиями(началом строки, поля, кадра и др.).Система синхронизации должна обеспечивать высокую помехоустойчивость, так как нарушение последней может привести к изменению геометрического положения элементов изображения в процессе его синтеза, что естественно существенно исказит изображение.

Наряду с генерированием синхросигналов необходимо формировать также гасящие импульсы, предназначенные для запирания электронных пучков преобразователей изображения и кинескопов во время обратного хода развертки, иначе произойдет высвечивание траектории пучка по экрану во время обратного хода как по горизонтали, так и по вертикали. Уровень гасящих импульсов при этом должен быть равен или ниже уровня “черного” в сигнале изображения.

Синхросигналы и гасящие импульсы служат для управления развертывающими устройствами, устройствами фиксации уровней сигнала изображения, кодеками, генераторами испытательных таблиц.

Для обеспечения синхронизации в ТВС используется синхрогенератор, устанавливающий основные ритмы работы узлов и формирующий с помощью высокостабильного источника опорных колебаний сетку основных частот - частоты следования элементов, строк, кадров и др.. Опорную частоту выбирают, как правило, кратной частоте строк или колебаний цветовой поднесущей.

Сигналы синхронизации приемников передаются вместе с сигналом изображения.

Выбор длительности кадрового импульса намного больше строчного обеспечивает возможность простого разделения их на приемной стороне. При этом во время действия кадрового гасящего импульса строчные синхроимпульсы отсутствуют, что может привести к потере синхронизации строчного синхрогенератора приемника, с возможным отклонением частоты его автоколебаний. При возобновлении строчных синхроимпульсов из-за переходного процесса несколько первых строк растра могут быть искажены. Для устранения данного эффекта во время действия кадрового гасящего импульса в виде врезок в него формируются строчные синхросигналы.

При через строчном разложении кадровые синхроимпульсы различны для начала четных и нечетных полей, что приведет к ошибкам установления момента начала кадрового импульса. Для устранения этого эффекта до и после действия кадрового импульса вводят, так называемые, уравнивающие импульсы с удвоенной строчной частотой. Амплитуда синхроимпульсов составляет до 30% от полного размаха видеосигнала. В системах цветного телевидения вводятся дополнительные синхросигналы цветовой синхронизации, частоты и фазы цветовой поднесущей.

Лекция 3

Сегодня мы рассмотрим методы преобразования светового сигнала в электрический, в частности, с использованием фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) и приборов с зарядовой связью (ПЗС).

Основными характеристиками ФЭП являются чувствительность, спектральная и разрешающая способность. Различают ФЭП мгновенного действия и с накоплением заряда.

В свою очередь можно выделить две группы ФЭП мгновенного действия:

- устройства, в которых вся световая энергия концентрируется на одном элементе изображения и затем преобразуется в электрический сигнал, ФЭП с “бегущим световым пучком”;

- устройства, на входе которых световой поток соответствует всей передаваемой сцене, а формирование элемента изображения происходит посредством его пространственного диафрагмирования в оптическом или электронном звене.

Первый метод используется, в основном, для преобразования изображения транспаранта (диапазитива, кинокадра) и для регистрации натурных сцен. Устройства 2-ого типа использовались в ТВС на начальном этапе ее развития.

На вход такого преобразователя поступает световой поток, соответствующий передаваемой сцене и с помощью полупрозрачного фотокатода преобразуется в электрический поток. C помощью магнитного и электрических полей, создаваемых фокусирующей катушкой и ускоряющего электрода, изображение фокусируется в плоскости диафрагмы, отверстие которой является апертурой, формирующей элемент изображения. Далее поток электронов попадает на вход вторично-электронного умножителя. Развертка осуществляется отклонением электронного изображения относительно отверстия диафрагмы. Таким образом, через отверс-тие диафрагмы последовательно элемент за элементом проходят электроны, соответствующие различным участкам передаваемой сцены.

Поскольку в формировании сигнала изображения на нагрузке в любой момент времени принимает участие только 1/n-я часть(n - число элементов разложения) электронного потока с фотокатода, чувствительность такого преобразователя низка.

Чтобы для формирования сигнала использовать всю световую энергию, падающую на элемент ФЭП, предложена идея накопления заряда. Увеличение сигнала в этом случае пропорционально числу элементов разложения и при k=4/3, z=625строк, ток сигнала увеличится примерно в 500000 раз( n=kz2).

К числу ФЭП, реализованных на принципе накопления заряда, относятся телевизионные передающие трубки, например, видикон и его дальнейшие модификации.

Основой конструкции видикона является цилиндрическая колба, с торца которой на фотопроводящий слой проецируется изображение сцены. На стеклянную пластину нанесен прозрачный для проходящего света тонкий слой проводника - сигнальная пластина, соединенная с кольцевым электродом, через который снимается выходной сигнал изображения. Непосредственно на сигнальную пластину наносится светочувствительный слой трех сернистой сурьмы, являющийся для коммутирующего пучка мишенью, преобразующей падающий световой поток в потенциальный рельеф. Использование трех сернистой позволяет получить спектральные характеристики чувствительности близкие к кривой относительной видности глаза. Для формирования коммутирующего электронного пучка используется плоский термокатод и модулятор. Фокусирующая катушка совместно фокусирующим электродом обеспечивают фокусировку пучка в плоскости мишени. Отклонения пучка по вертикали и горизонтали осуществляется двумя парами отклоняющих катушек, запитываемых токами пилообразной формы с частотой строк и полей. Корректирующие катушки обеспечивают параллельное оси трубки направление коммутирующего пучка.

Элемент изображения на мишени формируется коммутирующим пучком. Саму мишень можно представить ввиде мозаики из элементарных конденсаторов, шунтированных резисторами. При проецировании изображения на мишень различные ее участки имеют различное сопротивление, т.е. распределение освещенностей в плоскости изображения преобразуется в распределение сопротивления в объеме полупроводника (трех сернистой сурьмы). Конденсаторы во время действия коммутирующего пучка заряжаются током до напряжения Uсп.

В течении остального времени(длительность кадра) емкость разряжается током, проходящим по цепи, обозначенной буквой Р(разряд). Скорость разряда определяется постоянной времени RэСэ. При увеличении освещенности постоянная времени уменьшается и конденсатор за время кадра разряжается быстрее. Ток заряда конденсатора (ток в нагрузке) в момент действия коммутирующего пучка зависит от напряжения на конденсаторе, а, следовательно, и от освещенности.

Как мы видим, изображение воздействует на мишень в течении всего кадра, а не только в момент воздействия коммутирующего пучка, что приводит к накоплению заряда, а, следовательно, к увеличению чувствительности.

Рассмотрим теперь преобразователи изображения на основе ПЗС.

В ПЗС реализуется принцип направленного перемещения зарядов вдоль цепочки элементарных накопителей.

К достоинствам ПЗС структур относятся:

- возможность непосредственного преобразования светового потока в зарядовые пакеты с сохранением данной информации.

- способность направленной передачи зарядовой информации и преобразование ее в сигнал изображения при точном соблюдении геометрии точечного растра.

- возможность обработки информации непосредственно на матрице.

- высокое быстродействие, степень интеграции и надежность, малая мощность потребления и габариты.

Основным элементом ПЗС является МОП-конденсатор, сформированный на кремниевой подложке p-типа.

В качестве диэлектрика МОП-конденсатора используется диоксид кремния, а второй обкладки - поликремниевый электрод. При подаче положительного смещения на электрод относительно подложки, приповерхностная зона обедняется основными носителями - дырками, а неосновные носители - электроны, накапливаются под электродом. Расположим теперь два МОП-конденсатора в непосредственной близости друг от друга.

До момента времени t1 положительный потенциал подан на первый электрод и накопленный зарядовый пакет находится под ним. В течении промежутка t1-t2 положительный потенциал снимается с первого электрода и подается на второй. При этом зарядовый пакет перераспределяется между электродами. В момент t3 весь зарядовый пакет локализуется под вторым электродом. Таким образом, коммутируя потенциал на электродах, мы осуществляем зарядовую связь между двумя МОП-конденсаторами.

При этом организуется направленный перенос группы зарядовых пакетов у поверхности полупроводника.

Для ограничения растекания зарядового пакета вдоль поверхности в направлении перпендикулярном направлению переноса, используются, так называемые, стоп-каналы, реализуемые легированием узких областей полупроводника вдоль направления переноса(вид сверху рис.6,в).

Для построения различных устройств на основе ПЗС необходимо также наличие узлов, позволяющих вводить в ПЗС и выводить из него информацию. На рис.7 изображено двухзатворное устройство ввода заряда в ПЗС. Оно содержит входную диффузионную область n+-типа ID, образующую р-n переход с подложкой р-типа, а также два затвора G1 и G2, на которые поданы постоянные положительные смещения. Далее следуют электроды обычного ПЗС-регистра. На входную область подаются короткие отрицательные импульсы, во время действия которых входной p-n переход раскрывается и обедненные области под затворами насыщаются электронами. По окончании импульса электроны из под этих затворов экстрагируются обратно, за исключением части заряда, оставшейся под затвором G2, значение которой пропорционально разности потенциалов между затворами. Далее этот заряд поступает под первый электрод и переносится обычным образом. Следовательно, меняя потенциалы на двух затворах, можно вводить в регистр ПЗС заряд заданного размера. Подавая на какой-либо из затворов аналоговый сигнал, в ПЗС регистр можно вводить заряды, пропорциональные значениям входного напряжения. Этот прием используется для ввода сигнала в дискретно-аналоговые линии задержки.

Для преобразования зарядового пакета в выходное напряжение служит выходная емкость. Один из вариантов реализации такого устройства, с так называемой, плавающей диффузионной областью.

Устройство располагается в конце ПЗС регистра и содержит разделительный затвор G и диффузионную область n-типа , образующую обратно смещенный p-n переход. К диффузионной области также подключены гальванометрический транзистор и транзистор сброса. В промежутке времени t1-t2 транзистор сброса открыт импульсом Urs и емкость обратно смещенного p-n перехода плавающей диффузионной области заряжается до напряжения U0. Напряжение на затворе G выбрано таким образом, чтобы зарядовый пакет, находящийся под третьим электродом ПЗС регистра ?3, не попадал в диффузионную область.

В момент времени t3 зарядовый пакет выталкивается из-под третьего электрода регистра в диффузионную область, потенциал которой уменьшается на

U1 = Q0/Cвых

где Свых - емкость диффузионной области. Из-за наличия паразитной емкости С, часть импульса Urs проникает в выходной сигнал в виде наводки Uclk.

Преобразователи на ПЗС делятся на линейные и матричные.

Линейные преобразователи могут передать только одну строку изображения. Для передачи кадра используется либо перемещение передаваемого изображения относительно линейки ПЗС(система передачи документов), либо его перемещение относительно передаваемой сцены(спутниковые системы сканирования Земли). Рассмотрим принцип действия линейного ПЗС с раздельными секциями накопления и считывания зарядовых пакетов.

В таком ПЗС в качестве накапливающих ячеек используются обратно- смещенные фотодиоды(ФД), а для переноса зарядовых пакетов - ПЗС регистр, изолированный от падающего света. Фотодиоды от регистра отделяет специальный электрод - фотозатвор(ФЗ). В течении времени накопления ФЗ находится под потенциалом, препятствующим перетеканию зарядовых пакетов из ФД в регистр. В момент считывания на ФЗ подается короткий положительный импульс и заряд переносится в регистр. В течении следующего периода накопления, в регистре осуществляется сдвиг накопленных зарядов к выходу.

Для телевидения особый интерес представляют матричные ПЗС, позволяющие формировать видеосигнал, соответствующий двумерному распределению освещенности. Исторически первыми были разработаны матричные ПЗС с кадровым переносом.

Матричный ПЗС с кадровым переносом содержит светочувствительную секцию накопления(СН), состоящую из вертикальных ПЗС-регистров, отделенных друг от друга областями стоп-каналов (СК). Непосредственно к СН примыкает секция памяти (СП), имеющая структуру и количество элементов, идентичные с секцией накопления. В нижней части СП расположен горизонтальный регистр(P), число элементарных ячеек которого равно числу столбцов в СН и СП. СП, горизонтальный регистр и выходное устройство экранируются от падающего света напылением алюминиевого покрытия на поверхность кристалла.

Оптическое изображение, представляющее собой двухмерное распределение освещенности, проецируется на СН, формируя неосновные носители заряда, в количестве строго пропорционально падающему свету. По окончании времени накопления во время обратного хода по кадру на фазные электроды СН и СП подаются импульсы переноса, обеспечивающие сдвиг накопленного двухмерного массива из СН в СП. Одновременно с этим в СП во время обратного хода по строке зарядовые пакеты построчно переносятся в горизонтальный регистр. Далее во время прямого хода по строке заряды считываются из горизонтального регистра.

Недостатками матричных ПЗС с кадровым переносом являются значительная площадь кристалла, обусловленная наличием СП, а также вертикальный смазки от ярких деталей изображения. Последнее объясняется тем, что во время переноса зарядовых пакетов из СН в СП световой поток продолжает генерировать носители сигнала. При наличии областей, освещенность которых во много раз превышает средний уровень, на изображении образуется светлый вертикальный столбец, являющийся продолжением яркой детали(вертикальный смаз).

Данных недостатков лишены матричные ПЗС со строчным переносом заряда, которые из-за малых размеров (отсутствие СП) получили широкое распространение в прикладном телевидении.

Перенос зарядов из светочувствительных диодов в вертикальные регистры осуществляется во время обратного хода по кадру, однако уже, за существенно меньший промежуток времени, а перенос зарядов в горизонтальный регистр - во время обратного хода по строке. Количество ФД в столбце матричного ПЗС выбирается равным числу строк в кадре.

Основным недостатком ПЗС такого типа является неполное использование светового потока, поскольку ФД занимают лишь часть площади кристалла, что приводит к уменьшению чувствительности.

Для устранения этого недостатка на поверхность кристалла наносятся микролинзы.

Несмотря на то, что уровень смаза в матричных ПЗС со строчным переносом существенно меньше, в вещательном телевидении он все же является недопустимым. Смаз в таких ПЗС объясняется двумя причинами:

- переотражением света на электродах вертикального ПЗС-регистра;

- проникновением фотонов глубоко в полупроводник, откуда возможна диффузия образованного электрона в вертикальный ПЗС-регистр.

Поэтому для вещательных камер разработаны ПЗС со строчно-кадровым переносом.

В таких матрицах добавлена СП для реализации кадрового переноса, количество ячеек в которой равно половине количества светодиодов.

Зарядовые пакеты переносятся в вертикальные ПЗС, после чего на повышенной частоте в вертикальные регистры СП. Таким образом, механизмы смаза действуют только во время переноса зарядовых пакетов в СП. Уровень смаза в таких устройствах в 20-50 раз меньше чем в ПЗС со строчным переносом.

Современная технология позволяет создать матричные ПЗС для телесистем с числом элементов 1035х1920, работающие на частоте 74.25 МГц, на основе которых созданы цветные камеры для систем телевидения высокой четкости.

Для получения сигналов цветоделенных изображений в таких устройствах на светочувствительную поверхность матричного ПЗС наносят кодирующие светофильтры.

Однако, координальное решение проблем формирования сигналов изображения и их обработки, повышения технологичности элементов было найдено в использовании КМОП-технологий.

Преобразователь такого типа позволяет объединить на одном кристалле матрицы ФД, модулей коммутации элементов с координатной адресацией и управления режимом работы матрицы, обработки сигналов изображения, интерфейсного модуля и других схемных элементов, обеспечивающих работу преобразователя.

Достоинством КМОП-преобразователя является также возможность формирования каскадов усиления видеосигнала на каждом сенсоре матрицы. Основное применение такие устройства нашли в видеокамерах, компьютерных устройствах и бытовой технике.

Преобразования звуковых колебаний в электрические.

Для преобразования акустических колебаний в электрические используются микрофоны. В большинстве из них акустическая энергия преобразуется в электрическую, за исключением микрофонов на релейном принципе, где под воздействием акустических колебаний энергия постоянного тока преобразуется в энергию переменного. Качество микрофонов характеризуется их чувствительностью (отношением напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению, действующему на него), частотной характеристикой, характеристикой направленности, уровнем собственного шума и т.п..

По акустическим характеристикам микрофоны делятся на приемники давления, градиента давления, комбинированные и групповые.

Механическая система приемников давления открыта для воздействия звуковых волн только с одной стороны, в отличии от приемников градиента давления, где на диафрагму действует разность акустических волн, падающих с различных направлений. Комбинированные приемники с использованием приемников давления и градиента давления и групповые приемники, классифицируемые как линейные(расположенные в ряд) и трубчатые, состоящие из набора трубок различной длины, служат для формирования различных характеристик направленности.

Микрофоны по принципу электромеханического преобразования делятся на электродинамические, электростатические, электромагнитные и релейные. Для высококачественной передачи звуковых сигналов вещательного телевидения применяются , в основном, электростатические микрофоны, подразделяющиеся на конденсаторные, электретные и пьезомикрофоны.

Конструкция конденсаторного микрофона представляет собой конденсатор, один из электродов которого массивный, а второй-- тонкая натянутая мембрана. На конденсатор подано поляризующее напряжение через высокоомное сопротивление R. Заметим, что источник поляризующего U напряжения не расходует энергии, так как постоянной составляющей тока нет. При колебаниях мембраны емкость конденсатора Со изменяется, а так как заряд q остается постоянным(конденсатор не успевает перезаряжаться из-за большой постоянной времени), то изменяется напряжение на нем.

Это дополнительное напряжение ?U = ? и будет являться ЭДС от действия звукового давления на мембрану. Напряжение, получаемое на нагрузке, несколько меньше ЭДС из-за падения напряжения на емкости конденсатора.

В электретном микрофоне, в отличие от конденсаторного, поляризующее напряжение образовано предварительной электризацией одного из электродов, изготовляемого из полимеров или керамических поляризующихся материалов. Такой электрод имеет металлическое покрытие, которое, по существу, и является электродом конденсатора, а электрет служит лишь источником поляризующего напряжения. Поляризация электрета постепенно уменьшается и через .несколько лет требуется или его замена, или повторная поляризация. В этом недостаток электретного микрофона по сравнению с конденсаторным, но и достоинство, так как для него не требуется источник напряжения. По механическим, акустическим характеристикам, а также по конструкции электретный микрофон ничем не отличается от конденсаторного.

Стандартный уровень чувствительности конденсаторных микрофонов с усилителем составляет - 54 дБ). Уровень собственных шумов микрофона 0--10 дБ.

Электретные микрофоны выпускают пока только для бытовых магнитофонов. Частотный диапазон их составляет 50--15 000 Гц, неравномерность частотной характеристики 10--15 дБ, уровень собственного шума 27-- 38 дБ. Из-за высокого уровня шумов они непригодны для вещательных систем.

Пьезомикрофоны используют явление пьезоэффекта: при деформации пластинки, вырезанной из кварца, сегнетовой соли и других кристаллов, а также пьезокерамик (титаната бария и др.), происходит ее поляризация, т. е. выделение зарядов на плоскостях. Если пластинку вырезать под определенным углом к оси кристалла, то можно получить поляризацию при деформации пластинки от ее поперечного изгиба. При наклеивании металлических электродов на две противоположные грани пластинки между ними получают разность потенциалов, пропорциональную величине деформации пластинки от поперечного изгиба.

Ввиду высокого входного сопротивления, сложности механической системы, низкой чувствительности и большой неравномерности частотной характеристики пьезомикрофоны имеют очень ограниченное применение.

Лекция 4

В последнее время все чаще в обиходе мы слышим термин «цифровой», что обусловлено тем, что цифровые методы передачи, обработки и хранения информации все чаще приходят на смену аналоговым. В чем же причины этой тенденции:

- первая причина, наиболее важная с точки зрения радиотехники, - это повышение помехоустойчивости, поскольку переход при передаче от аналогового к цифровому сигналу позволяет получить высокое качество изображения при значениях сигнал/помеха (с/п) в десятки раз меньших. Например, для устойчивого приема сигнала в аналоговом телевидении отношение с/п на входе телевизора должно быть порядка 50 дБ, а в цифровых приемниках - в десятки раз меньше.

- вторая причина - получение функциональных возможностей, объединяемых термином «цифровая обработка сигналов». В этом случае аппаратурная реализация заменяется выполнением математических операций над числами, составляющими цифровой сигнал. Ведь все преобразования, производимые в реальных устройствах, описываются формулами.

При этом достигается увеличение в четыре и более раз количества передаваемых в стандартном телевизионном канале программ, возникает возможность передачи по единому каналу сигналов телевидения, интернета, телефонии.

Однако, существенным недостатком систем с цифровым сигналом изображения является необходимость расширения полосы пропускания канала связи по сравнению с аналоговым. Кроме того механизм цифровой передачи подразумевает наличие мощного, быстродействующего устройства, позволяющего в реальном масштабе времени обеспечить проведение необходимых математических расчетов.

Вот почему, только с появлением быстродействующих процессоров и вычислительных машин на их базе, цифровые методы находят все большее и большее применение.

Различают три этапа развития цифрового телевидения:

- применение цифровой техники в отдельных частях ТВС при сохранении обычного стандарта разложения и аналоговых каналов связи.

Это создание цифрового студийного оборудования, где сигналы с камер оцифровывались и вся их дальнейшая обработка и хранение в пределах студии производились цифровыми средствами. Для передачи через канал связи сигнал снова преобразовывался в аналоговый.

Введение цифровых блоков в телевизионные приемники: устройства перехода от черезстрочной развертки к прогрессивной, повышение частоты полей до 100 Гц, реализация функций «стоп-кадр» и «кадр в кадре».

- переход к последовательной передаче яркостного и цветоразностных сигналов, увеличение количества строк в кадре и элементов изображения в строке(системы ТВЧ). Передача таких сигналов через каналы связи вызвала необходимость развития методов сжатия их спектра. Для решения данной задачи Международная организация по стандартизации (ISO) создала рабочую группу, занимающуюся разработкой методов сжатия неподвижных изображений - JPEG, а затем и движущихся изображений MPEG. Разработки данных групп стали основой создания всех современных систем цифрового телевидения.

- создание полностью цифровых телевизионных систем.

Для того, чтобы преобразовать аналоговый сигнал в цифровой, необходимо выполнить три операции:

- дискретизацию во времени, т.е. замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты времени.

- квантование во времени, заключающаяся в нахождении для каждого отчета сигнала ближайшего к нему уровня квантования из используемого набора.

- кодирование, в результате которого номер найденного уровня квантования представляется в виде двоичного числа в параллельной или последовательной форме.

Все три операции выполняются в одном устройстве - аналого-цифровом преобразователе(АЦП), а обратное преобразование - с помощью цифро-аналогового преобразователя(ЦАП).

Фактически эффект дискретизации сводится к перемножению аналогового сигнала на периодическую последовательность ?-импульсов.

При этом спектр сигнала после дискретизации содержит как исходный спектр модулирующих импульсов, так и спектр аналогового сигнала в виде боковых полос. Частота дискретизации Fs должна удовлетворять неравенству

Fs >2Fв,

где Fв - верхняя граничная частота дискретизируемого сигнала.

Это условие было сформулировано Котельниковым. Из рисунка видно, что для получения исходного сигнала достаточно использование фильтра нижних частот(ФНЧ). Если условие теоремы Котельникова не выполняется, произойдет наложение спектров(aliasing) и исходный спектр восстановить не удастся. Для исключения этого эффекта в схему введен также и ограничитель спектра входного сигнала.

На практике импульс выборки имеет реальную величину(апертуру), а, следовательно, и выходной сигнал является некоторым усредненным значением на интервале действия импульса. Апертурным эффектом можно пренебречь при длительности импульса менее 0.2Ts.

Изменение положения импульса выборки(jitter) также может приводить к ошибкам в процессе дискретизации.

Частота дискретизации сигнала может меняться. Для ее увеличения между отчетами дискретного сигнала вставляются дополнительные отчеты. Данная операция называется интерполяцией, как и преобразование дискретного сигнала в аналоговый.

Процесс дискретизации изображения в трехмерном пространстве, где горизонтальные координаты соответствуют пространственным в плоскости изображения, показывает величину яркости в каждой точке изображения.

Поскольку полоса телевизионного сигнала при стандарте SECAM равна 6.5 МГц, частота дискретизации должна быть не менее 13 МГц. Учитывая, что последняя должна также быть целым кратным от частоты строк, чтобы на периоде строки помещалось целое число отсчетов сигнала, частота дискретизации выбрана 13,5 МГц. Эта частота равна 858-й гармонике строчной частоты 15625 Гц стандарта 625/50/2:1 и 864-й гармонике частоты 15734 стандарта 525/59.94/2:1. Частота строк рассчитывается по формуле:

fстроки.= fкадра Z

В соответствии с единым международным стандартом кодирования предусмотрено раздельная цифровая дискретизация яркостного(Y) и двух цветоразностных сигналов Cr и CB (компонентное кодирование). Данные компоненты получаются путем матрицирования исходных сигналов R,G,B.

Учитывая особенности восприятия цвета мелких деталей изображения, количество выборок цветности может быть меньше чем яркостного.

Наиболее часто используют формат, где частота дискретизации цветоразностных сигналов в два раза меньше чем Y, причем в каждой строке присутствуют оба цветоразностных сигнала.

Такой формат получил название 4:2:2.

При использовании формата 4:2:0 каждый цветоразностный сигнал имеет частоту дискретизации в два раза меньше Y и число передаваемых строк для него уменьшается вдвое.

Соответственно для стандартов ТВЧ частота дискретизации должна быть в два раза выше чем для телевидения стандартной четкости.

Рассмотрим теперь операцию квантования по уровню. Это нахождение для каждого отчета сигнала ближайшего к нему уровня квантования или проще говоря, округлении значений отчетов сигнала до ближайших уровней квантования. Получающиеся при этом ошибки квантования довольно заметны при низких уровнях сигналов. Когда преобразовывается высокий уровень сигнала, проходящий через большое число уровней квантования, результирующая ошибка от сотен не совсем верных значений приводит к появлению в сигнале случайного по своей природе шума. Для низкого уровня ошибка скоррелирована с сигналом и не носит шумовой характер из-за чего становится более заметной на конечном изображении. Поэтому в исходный аналоговый сигнал добавляется шумовой сигнал низкого уровня, который декоррелирует ошибку при малых сигналах(рис.1).

Количество уровней квантования Nкв связано с числом двоичных разрядов АЦП b соотношением

Nкв = 2b

Выбор числа уровней квантования определяет динамический диапазон АЦП и приблизительно равен 6b.

Рассмотрим теперь методы преобразования звуковых сигналов.

Параметры цифрового представления звуковых сигналов выбираются в соответствии с параметрами этих сигналов и свойствами слуха. Человек воспринимает звуки от 20 Гц до 20 кГц , частотный же диапазон звуков речи простирается от 70 до 8000 Гц и зависит от типа голоса. Количество разрядов квантования для звуковых сигналов больше чем для видео, поскольку динамический диапазон слуха доходит до 140 дБ. Поэтому перед квантованием в звуковом тракте используется командирование сигнала. В таблице приведены параметры некоторых вариантов цифрового представления звуковых сигналов.

Обратное преобразование звуковых сигналов подразумевает опять-таки использование фильтра нижних частот(ФНЧ), для упрощения требований к которому применяется интерполяция (повышение частоты дискретизации) с использованием цифрового фильтра.

Для построения ЦАП используется принцип, основанный на суммировании токов. Величины токов пропорциональны степеням. Ключ замыкается, если соответствующий бит в цифровом сигнале равен лог.1. Суммарный ток течет через сопротивление нагрузки и создает выходное напряжение. Для преобразования суммы токов в напряжение на выходе ЦАП можно использовать операционный усилитель.

Лекция 5

Цифровым интерфейсом называется точка соединения двух приборов, в которых данные передаются от одного устройства к другому. Чтобы обеспечить быстрое и надежное соединение без подстройки параметров, оба прибора должны соответствовать единым требованиям к точке стыка. Соединение может быть однонаправленным или симплексным, когда данные передаются только в одном направлении, и двунаправленным или дуплексным, когда передача идет в обеих направлениях. Понятно, что сигналы реального времени(телевидение, звуковое вещание) могут передаваться только в симплексном режиме. Для описания любого цифрового интерфейса необходимо указать протокол обмена данными, уровень напряжений, входные и выходные сопротивления, вид соединителей, тип кабеля.

Интерфейсы делятся на параллельные, когда каждый бит отсчета и сигнал тактовой частоты передаются по отдельной линии и последовательные.

Потребность в большом числе соединительных линий является серьезным недостатком параллельной передачи, поэтому метод используется только для соединений внутри аппаратуры и в меньшей степени внутристудийных соединений. При использовании формата 4:2:2 передача значений отчетов происходит по одним и тем же линиям в следующем порядке: Y, Cr,Y, Cв,Y ... .

Частота тактовых импульсов при этом равна

fT = 13,5 +6,75 +6,75 = 27 МГц

Произведение частоты дискретизации и числа разрядов квантования называется скоростью передачи двоичных символов - Q и измеряется в Мбит/сек. При этом суммарная скорость передачи двоичных импульсов ЦТС для параллельного видеостыка равно 270 Мбит/сек. При этом максимальная длина кабеля без коррекции АЧХ - 50 метров, номинальное сопротивление нагрузки - 110 Ом.

Для соединений используется 25-ти контактный соединитель D-типа.

Передача сигнала на большие расстояния осуществляется в последовательной форме. Двоичные разряды каждого отчета передаются один за другим по одной линии, в качестве которой можно использовать коаксиальный кабель или оптоволокно. Импульсы тактовой частоты отдельно не передаются, а выделяются в приемнике.

Входной сигнал поступает на формирователь импульсов(ФИ), вырабатывающий короткие импульсы при перепадах напряжения входного сигнала. Расширитель импульсов(РИ) преобразует их в импульсы c длительностью равной половине периода тактовой частоты, которые поступают на узкополосный фильтр(УПФ), на выходе которого выделяется синусоидальный сигнал тактовой частоты.

Видно, что в случае когда амплитуда импульса на входе длительное время не меняется, начало действия импульса на выходе усилителя ограничителя(УОгр) из-за наличия переходного процесса в фильтре может смещаться . Поэтому необходимо преобразование цифрового сообщения в форму, пригодную для передачи по каналу(канальное кодирование). Сигнал такого типа должен удовлетворять двум условиям:

- отсутствию постоянной составляющей, наличие которой приводит к смещению уровня сигнала и положения фронтов импульса относительно порогового уровня. При этом возникает эффект фазового дрожания.