лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОМЕХ НА КАЧЕСТВО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
1. Цели работы
Изучение характера влияния периодических, импульсных (непериодических) и флуктуационных помех на качество телевизионного изображения. Измерение отношения сигнала к помехе. Исследование заметности периодической помехи в зависимости от соотношения между частотами помехи и развертки. Учет визуального восприятия помех при их измерении. Расчет затуханий, вносимых взвешивающим фильтром, для нескольких типов помех.
2. Краткие теоретические сведения
Среди многих параметров и характеристик ТВ системы, от которых зависит качество воспроизводимого изображения, важным является помехозащищенность, оцениваемая отношением сигнала к помехе (ОСП), которое измеряется в тракте передачи видеосигналов, т.е. до модулятора на передающей стороне ТВ системы или после видеодетектора приемника1. Поэтому необходимо понимать характер влияния различных помех на качество изображения и правильно измерять ОСП.
Виды помех. Помехи по-разному проявляют себя в ТВ тракте и на изображении. В зависимости от характера воздействия на сигнал различают аддитивные и мультипликативные помехи. Аддитивные помехи, проникая в тракт, суммируются с ТВ сигналом, мультипликативные – возникают только в процессе передачи ТВ сигнала и вызывают регулярные или нерегулярные изменения коэффициента передачи канала (уровня сигнала). В первом случае ТВ сигнал на выходе тракта (или какого-либо устройства) можно записать в виде  (t) = UТВ (t)+Uпом(t), во втором – (t) = UТВ (t) · r(t), где r(t) – множитель, учитывающий влияние мультипликативной помехи (например, замираний, возникающих при распространении радиосигнала).
В ТВ тракте существуют три основных вида помех: периодические, импульсные (непериодические) и флуктуационные. Первый и второй виды помех порождаются преимущественно внешними устройствами. При этом, если они создаются непреднамеренно во время работы различных электрических и радиоустройств, их считают индустриальными радиопомехами. Источниками таких помех могут быть другие радиостанции, в том числе и телевизионные (например помехи от соседних и зеркальных каналов), электродвигатели транспортных средств и бытовых приборов и т.п.
Уровень таких помех особенно высок в городах, поэтому все предприятия и организации, на которых изготовляются или эксплуатируются приборы и оборудование, являющиеся источниками радиопомех, обязаны принимать меры по их ослаблению до уровня, соответствующего нормам Государственной инспекции по электросвязи (БелГИЭ).
Флуктуационные помехи (шумы) обусловлены дискретной природой электрического тока, т.е. являются внутренними помехами ТВ системы.
Полезные сигналы при определенных обстоятельствах порождают помехи, которые описываются как сигналы. К ним относятся эхо-сигналы, обусловленные многолучевым приемом прямого и отраженных радиотелевизионных сигналов, а также рассогласованием в линии связи; перекрестные помехи между сигналами яркости и цветности, вызванные их совместной передачей в общей полосе частот и плохим разделением в приемнике.
При преобразовании аналогового сигнала в цифровой в связи с ограниченным числом уровней квантования появляются помехи, получившие название шумы квантования.
ОСП. В ТВ под отношением сигнала к флуктуационной помехе ψэф (периодической помехе ψп) понимают отношение размаха ТВ сигнала Uс между контрольными уровнями черного и белого к эффективному значению помехи Uп эф (максимальному размаху помехи Uп) в рабочей полосе видеочастот, которое выражают в децибелах [1, 2]:
ψэф = 20 lg Uс / Uп эф , (2.1)
ψп = 20 lg Uс / Uп . (2.2)
Визуальное восприятие помех зависит от ряда факторов, основным из которых является характер распределения помех по спектру: низкочастотные помехи более заметны, чем высокочастотные той же мощности. Это объясняется тем, что зрительная система является пространственно-временным фильтром нижних частот [3, 4]. Менее заметна также помеха, создающая неподвижный узор на изображении. Ослабление восприятия высокочастотных составляющих помех происходит потому, что зрительная система сглаживает выбросы помех, имеет пониженную контрастную чувствительность при наличии помех, а также вследствие сглаживающего действия послесвечения люминофора экрана.
Восприятие помех зависит и от яркости участков экрана (уровня ТВ сигнала): наиболее заметны помехи на уровне серого, что объясняется зависимостью контрастной чувствительности зрения от яркости (в силу закона Вебера-Фехнера глаз реагирует не на абсолютное изменение яркости, а на относительное) [3, 4].
Влияние периодических помех. В зависимости от соотношения частот помехи fпом , полей fпол и строк fстр они могут по-разному проявляться на изображении (m и n – целые числа):
fпом < fпол – в виде периодических изменений яркости всего изображения с разностной частотой;
fпом < fстр , fпом = nfпол – в виде неподвижных чередующихся горизонтальных темных и светлых полос;
fпом < fстр , fпом ≠ nfпол – в виде горизонтальных полос, перемещающихся вверх или вниз по экрану;
fпом > fстр , fпом = mfстр – в виде неподвижных вертикальных полос;
fпом > fстр , fпом ≠ mfстр , fпом = nfпол – в виде неподвижных чередующихся наклонных темных и светлых полос;
fпом > fстр , fпом ≠ mfстр , fпом ≠ nfпол – в виде наклонных темных и светлых полос, перемещающихся по экрану.
Периодические помехи могут создаваться и непосредственно в тракте передачи ТВ сигнала, например, при преобразовании частот в аппаратуре линии связи и в ТВ приемниках. Особое место занимают низкочастотные периодические помехи, проникающие в ТВ сигнал и в развертывающие устройства из цепей электропитания. Периодическую помеху с частотой питающей сети и с частотами ее гармоник до 1 кГц называют фоновой помехой.
Зависимости ψп = φ( f ) для черно-белых ТВ изображений показаны на рисунке 2.1, а – в; для системы ЦТВ СЕКАМ от немодулированной синусоидальной помехи – на рисунке 2.1, г.
Фоновая помеха, частота которой fф = fпол , едва заметна на изображении при ψп ≥ 14 дБ, так как она создает неподвижный узор; если fф = fпол ± (6…8) Гц, то та же степень заметности обеспечивается при ψп = 43 дБ (см. рисунок 2.1, б). При этом заметность периодических импульсных помех той же мощности больше (см. рисунок 2.1, в). Для того чтобы фоновая помеха не искажала цветное изображение, ψп должно быть не менее 46 дБ.
Известно, что синусоидальная помеха, частота которой кратна нечетной гармонике полустрочной частоты
fпом = (2n+1)(fстр / 2) (2.3)
примерно на 20 дБ заметна меньше, чем помеха с частотой fпом = nfстр [1, 2].
Такая помеха приводит к дополнительному увеличению (например, во время положительных полуволн) и уменьшению (во время отрицательных полуволн) яркости изображения. При этом, как следует из условия (2.3), в течение строки укладывается нецелое число (n + 1/2) периодов (нечетное число полупериодов) помехи, что приводит к изменению на 180° ее фазы от строки к строке. Ввиду нечетного числа строк в кадре фаза синусоидальной помехи изменяется и от кадра к кадру. В результате помеха, отвечающая условию (2.3), создает на ТВ изображении шахматную структуру из светлых и темных точек, которые c каждым кадром меняются местами: на какую величину яркость каждого элемента увеличивается в одном кадре, на столько же в другом она уменьшается. При наблюдении (благодаря инерционности зрения) происходит пространственное и временное усреднение мешающего влияния помехи, т.е. создаваемые ею изображения как бы компенсируют друг друга. Это свойство, называемое самокомпенсацией, используется, например, в цветном телевидении при выборе значения поднесущей частоты, на которой передается информация о цветности.
Влияние импульсных (непериодических) помех. Источники таких помех уже были рассмотрены. НЧ помехи, попадая в тракт ТВ сигнала, приводят к появлению на изображении хаотических горизонтальных полос разной длины в зависимости от параметров помехи.
Влияние флуктуационных помех. Эти помехи имеют широкий спектр частот с практически равномерным распределением энергии (поэтому часто их называют белым шумом по аналогии с белым светом, имеющим равномерное распределение энергии в видимом диапазоне). Они снижают четкость, контраст изображения и количество воспроизводимых градаций яркости. Их действие вызывает у зрителя неприятное ощущение из-за хаотического изменения яркости и цветности мелких участков изображения. Уменьшение четкости происходит потому, что помехи размывают резкие границы в изображении. Действие помех увеличивает яркость темных мест экрана и уменьшает контраст изображения, а также количество различимых градаций яркости. Детали с небольшой контрастностью становятся менее заметными.
Учет визуального восприятия помех при измерении ОСП. Взвешивающий фильтр. В настоящее время при измерении ОСП учитывается только первое из рассмотренных выше свойств зрения: большая заметность НЧ помех, чем ВЧ той же мощности. Если этого не делать, результаты измерений не будут соответствовать визуальной оценке. Рассмотрим пример. Пусть имеются два ТВ канала, на выходах которых ОСП (измеренное прибором) одинаково, но в первом спектр помех спадает с ростом частоты, а во втором, наоборот, растет (мощность помех одинакова в обоих каналах). Ясно, что на экране телевизора, подключенного ко второму каналу, заметность помехи в силу указанного свойства зрения будет меньшей. Следовательно, для полной характеристики помех недостаточно знать только величину ОСП, поскольку при традиционном способе измерений ОСП не учитываются особенности визуального восприятия помех.
Для измерения уровня помех с учетом их видимости вводят понятие электрической модели частотной характеристики глаза, представляемой в виде ФНЧ. АЧХ этого фильтра и определяет относительную степень мешающего действия (“вес”) частотных составляющих помех на различных участках спектра ТВ сигнала, поэтому ее называют весовой функцией помех Ф( f ), а сам фильтр – взвешивающим [1, 2]. В соответствии с рекомендациями МСЭ-Р квадрат АЧХ взвешивающего фильтра при измерениях помех в каналах передачи сигнала черно-белого ТВ, а также в каналах сигналов яркости и основных цветов в цветном телевидении, описывается выражением:
Ф( f )чбТВ = 1 / [1 + (2πfτ)2] , (2.4)
где τ – постоянная времени взвешивающего фильтра, мкс;
f – частота, МГц,
а характеристика затухания, выраженная в децибелах (рисунок 2.2, кривая 1)
а( f ) = 10 lg 1/Ф( f ) = 10 lg [1 + (2πfτ)2] . (2.5)
Постоянная времени взвешивающего фильтра для канала передачи сигнала черно-белого ТВ (сигнала яркости ЦТВ) принята равной τ = 0,33 мкс, а для каналов сигналов основных цветов “красного”, “синего” и “зеленого” – соответственно τR = 0,17 мкс, τB = 0,15 мкс, τG = 0,21 мкс.
Мощность помехи определяется по известной спектральной плотности мощности Gп( f ):
 , Вт, (2.6)
где fн и fв – нижняя и верхняя частоты ТВ канала.
Если теперь на входе прибора, измеряющего мощность помехи, включить взвешивающий фильтр с АЧХ (2.4), его показания будут соответствовать визуально воспринимаемой мощности помехи Pвиз , которая характеризует видность помехи (Pвиз – это по сути мощность помехи на выходе некоторого светочувствительного прибора, аналогичного аппарату зрения). Таким образом, мощность помехи на выходе взвешивающего фильтра
 , Вт, (2.7)
и равна визуально воспринимаемой Pвиз.
При использовании взвешивающего фильтра, независимо от спектрального состава помех Gп( f ), равные результаты измерений Pвых будут соответствовать практически одинаковому восприятию флуктуационных помех на изображении.
Затухание, вносимое взвешивающим фильтром, определяется как отношение мощности помехи на входе фильтра Pвх (2.6) к мощности помехи на его выходе Pвых (2.7):
 , дБ, (2.8)
и характеризует эффективность подавления зрительной системой помех на изображении.
В цветном ТВ в ВЧ области спектра полного сигнала (примерно от 3 до 6 МГц) передается информация о цветности. В ТВ приемниках находящиеся в этой полосе частот спектральные составляющие флуктуационных помех демодулируются вместе с сигналом цветности. Продетектированная флуктуационная помеха, являющаяся более низкочастотной (ΔF определяется полосой частот цветоразностных сигналов 0…1,3 МГц) и, следовательно, визуально более заметной, воздействует на изображение совместно с флуктуационной помехой в канале яркости, увеличивая тем самым общий уровень помех. В связи с этим для измерений в трактах передачи полного цветового ТВ сигнала применяется другой взвешивающий фильтр [1, 2]:
Ф( f )цтв = [1 + (2πfτ/α)2] / [1+(2πfτ)2(1+1/α)2], (2.9)
где τ = 0,245 мкс, α = 4,5.
Затухание этого фильтра в ВЧ области (см. рисунок 2.2, кривая 2) меньше, чем фильтра (2.4): при f → ∞ значение затухания, определяемого по выражению (2.5), равно ачбтв → 0, ацТв → 14,8 дБ.
Характеристика фильтра (2.9) подобрана таким образом, чтобы его можно было применять для измерений помех при международном обмене ТВ программами, когда по линиям связи передаются сигналы различных систем черно-белого и цветного телевидения. Поэтому фильтр называется универсальным.
Отношение сигнала к взвешенной помехе на выходе фильтра ψэф взв определяют суммированием в децибелах ОСП ψэф на входе фильтра и затухания A, вносимого взвешивающим фильтром:
ψэф взв = ψэф + A. (2.10)
Для наиболее характерных типов помех, например с равномерной или квадратичной спектральной плотностями, затухания А, вносимые взвешивающим фильтром, определены математически, что позволяет упростить процесс измерения ψэф взв [1].
Измерение ОСП. Существует много способов измерения ОСП, определяемого выражениями (2.1), (2.2), подробно описанных в [1, 2]. Рассмотрим осциллографический способ, который, однако, позволяет измерять отношение размаха сигнала Uс не к эффективному напряжению флуктуационной помехи Uп эф ,а к ее размаху – квазипиковому значению Uкп:
ψкп =20 lg Uс / Uкп . (2.11)
Под размахом помехи понимают некоторый условный размах светящейся размытой полосы – “шумовой дорожки”, образуемой помехой на экране осциллографа, сверху и снизу которой наблюдаются хаотически возникающие узкие выбросы. При этом, чем больше мгновенные выбросы превышают Uп эф ,тем они менее вероятны. Отношение квазипикового размаха помехи Uкп к эффективному напряжению помехи Uп эф называют пик-фактором:
Кп = Uкп/Uп эф . (2.12)
Величина пик-фактора Кп определена экспериментально и для флуктуационной помехи с нормальным законом распределения считается равной Кп = = 6,5…7 (16…17 дБ).
Представление об Uп эф и Uкп можно получить, если воспользоваться выражением для распределения плотности вероятности мгновенных значений флуктуационной помехи с нормальным законом и нулевым средним (рисунок 2.3):
 . (2.13)
Тогда при u = 0  , а при u = Uп эф
 , а их отношение
p(Uп эф) / p(0) = exp(– 0,5) = 0,607 = Lп эф / Lmax , (2.14)
где Lп эф и Lmax – средние яркости свечения экрана осциллографа в точках u = = Uп эф и u = 0.
Действительно, средняя яркость свечения экрана осциллографа вдоль вертикальной оси распределена по тому же закону, что и помеха. Поэтому значение Uп эф можно определить в соответствии с (2.14) фотоэлектрическим преобразователем с узкой горизонтальной щелью, параллельной линии развертки.
Расчет ОСП при измерении с помощью осциллографа ведут по выражению (2.11), а затем, учитывая (2.12), пересчитывают в соответствии с определением (2.1) по выражению:
ψэф = 20 lgUс /(Uкп /Кп) = 20 lgUс /Uкп + 20 lg Кп = ψкп + (16…17), дБ. (2.15)
Преимущество осциллографического способа – простота, основной недостаток – невысокая точность измерений из-за трудностей четкого определения границ, между которыми следует измерять размах помехи, что ведет к большим расхождениям результатов измерений. Действительно, при ψэф = = 40 дБ (помеха едва заметна) и размахе сигнала на экране осциллографа, равном 50 мм, эффективное напряжение помехи составляет 0,5 мм, а видимый на экране осциллографа размах помехи – примерно 3,5 мм. Если при визуальном отсчете линейных размеров помехи и сигнала ошибка составит всего лишь ±1 мм, ошибка измерений будет около 6 дБ.
Повысить точность измерений можно путем увеличения масштаба помехи на экране осциллографа. Чтобы при этом не происходило ограничения помехи, наложенной на сигнал, необходимо, например, разделить помеху и сигнал (в макете предусмотрена возможность раздельного измерения размахов сигнала и помехи). Другие методы повышения точности измерений с помощью осциллографа описаны в [1, 2].
Три варианта измерения и расчета ОСП ψэф и ψэф взв . Первый вариант соответствует сравнению по величине ОСП ТВ систем (или устройств), имеющих одинаковый характер спектра флуктуационных помех (равномерный, квадратичный или другой). В этом случае сравнение достаточно проводить по измеренным величинам ψэф (ψкп ), так как при одинаковом характере спектра помех значения ψэф взв в двух сравниваемых системах будут отличаться от ψэф на одну и ту же величину затухания A взвешивающего фильтра.
Во втором варианте характер спектра флуктуационных помех различен, но соответствует типовому или задан математически. Тогда необходимо определить ψэф взв в каждой системе. Как и в первом варианте измеряют ψэф , а ψэф взв рассчитывают по (2.10), если затухание A известно для данного типа помех, если нет, то его предварительно определяют по (2.8), зная Gп ( f ) и Ф( f ).
Третий вариант отличается от второго тем, что зависимости Gп ( f ) для сравниваемых систем (или устройств) математически не заданы. Для нахождения ψэф взв , как и ранее, сначала определяют ψэф . Затем, аппроксимируя форму кривой спектральной плотности Gп ( f ) помех, наблюдаемую на анализаторе спектра, получают математическое выражение для Gп ( f ) и рассчитывают ψэф взв как во втором варианте. Более простым способом определения ψэф взв в этом случае является включение взвешивающего фильтра на входе измерительного прибора.
Нормы на ОСП. Связь между ОСП и качеством изображения очевидна: чем выше ОСП, тем лучше качество. Однако количественные соотношения имеют довольно большой разброс [1]. Считается, что изображение отличного качества воспроизводится ТВ системой, ОСП на выходе которой для помех с равномерным спектром выше 46 дБ (200 раз); пороговое значение (помеха едва заметна) – 41…46 дБ; допустимое значение (при котором обеспечивается достаточно высокое качество черно-белого изображения) – 30…40 дБ. При ОСП, равном 40 дБ, количество различимых градаций яркости на 20% меньше, чем при отсутствии помех. Для системы СЕКАМ установлено следующее примерное соответствие между качеством изображения и ОСП: оценка 5 – 40 дБ; 4,5 – 36 дБ; 4 – 30 дБ; 3 – 24 дБ; 2 – 19 дБ и 1 – 14 дБ.
|
