Телевизионные измерительные сигналы

Телевизионные измерительные сигналы предназначены для измерения параметров и характеристик ТВ устройств, оценки искажений в каналах связи и оценки качественных показателей ТВ изображений. Телевизионные измерительные сигналы используют как для инструментального контроля параметров ТВ устройств по электрическому видеосигналу, так и для формирования тестовых изображений, воспроизводимых на экранах приемных устройств. Измерительные сигналы могут периодически вводится в активные строки видеосигнала, формируя тестовое изображение на экране, или однократно вводиться в интервалы гасящих импульсов. При введении измерительных сигналов в интервалы гасящих импульсов строк и полей измерения могут осуществляться не только в ходе ремонтно-профилактических мероприятий, но и непосредственно в процессе ТВ передачи.

С целью унификации норм и допусков, а также уменьшения числа и номенклатуры контрольно-измерительной аппаратуры, используют ограниченный набор стандартных элементов, комбинируя которые формируют различные измерительные сигналы. Номенклатура и параметры элементов определены ГОСТом 18471-83 [4] и Рекомендацией BT.1439 Международного союза электросвязи [5]. Всем элементам присвоены буквенные обозначения.

Наиболее часто используемые ТВ измерительные сигналы представляют собой различные комбинации стандартных элементов. Одни сигналы содержат единственный элемент и предназначены для измерения какой-либо одной характеристики, другие сигналы имеют сложную структуру и включают несколько разнородных элементов (например, сигналы испытательных строк). Существуют специализированные элементы, предназначенные для измерений и контроля только в трактах прохождения композитных видеосигналов или только в компонентных трактах, однако большинство элементов может входить в состав как компонентных, так и композитных измерительных ТВ сигналов. Следует заметить, что значения параметров одних и тех же элементов, вводимых в композитный видеосигнал, в компонентные сигналы E'_Y, E'_R-Y, E'_B-Y и в сигналы основных цветов E'_R, E'_G, E'_B, могут различаться.

Характерные уровни сигналов принято отсчитывать в процентах, при этом за 100% принимают размах сигнала яркости от уровня гашения до номинального уровня белого. Полный размах видеосигнала от уровня вершин синхроимпульсов до уровня белого составляет 143%.

· Прямоугольные импульсы различной длительности и размаха (элементы A, B2 … B6, рис. 2). Предназначены для оценки уровня ТВ сигнала, влияния изменения постоянной составляющей сигнала, переходных характеристик. Используются в качестве пьедесталов для других измерительных сигналов.

Оценка переходной характеристики в области малых времен осуществляется по положительному (переднему) или по отрицательному (заднему) фронту импульса. Измеряют длительность фронта τ_ф от уровня 0.1 до уровня 0.9 и размахи выбросов (относительно размаха сигнала яркости U_Y = 0.7 В). Оценка переходной характеристики в области средних или больших времен осуществляется по плоской вершине импульса. Измеряют относительный перекос плоской вершины импульса (в процентах) (см. рис. 2):                                                                                                                             

         или      ,       (1)

где U_Y = 0.7 В – номинальный размах сигнала яркости от уровня гашения до уровня белого.

Элемент B6: прямоугольные импульсы, повторяющиеся с частотой 250 кГц.

Рис. 2. Прямоугольные импульсы – элементы телевизионных измерительныхсигналов

· Сигнал 1: содержит прямоугольные импульсы частоты полей, стробируемые строчными гасящими импульсами (элемент A). Строки первого поля содержат сигнал уровня белого, а строки второго поля – сигнал уровня гашения. Предназначен для оценки переходных характеристик в области больших времен.

· Сигнал Flat Field («ровное поле»): компонентный измерительный сигнал, яркостная компонента E'_Y которого содержит в интервале каждой строки прямоугольный импульс размахом 0 (уровень черного), 50% (уровень серого) или 100% (уровень белого). Цветоразностные сигналы E'_{R- Y}, E'_{B- Y} содержат прямоугольные импульсы с размахами – 50%, 0 и 50% (относительно максимальных размахов сигналов E'_{R- Y}, E'_{B- Y}).

· Сигнал R & W Raster («красный и белый растр»): композитный измерительный сигнал, содержащий в интервале каждой строки элемент B5 (прямоугольный импульс) с наложенным гармоническим колебанием частоты цветовой поднесущей системы PAL f_sc = 4.43361875 МГц с фазой, соответствующей красному цветовому тону, или без наложенного колебания. Формирует изображение однородного красного или серого поля.

· Cинусквадратичные импульсы шириной 2T

(2T-импульс – элемент B1, рис. 3) и T (T-импульс – элемент B1.1):

              и         

где 2T = 1/f_гр = 166 нс, T = 1/2f_гр = 83 нс – ширина импульсов на уровне 0.5; f_гр = 6 МГц – граничная частота спектра видеосигнала согласно отечественному стандарту.

Синусквадратичные импульсы предназначены для контроля АЧХ и ФЧХ по искажению формы импульсов. Измеряют следующие параметры (см. рис. 3):

o ширину импульса τ_B1 на уровне 0.5;

o относительное изменение размаха импульса (в процентах относительно номинального размаха сигнала яркости U_Y = 0.7 В):

;

o относительные размахи выбросов, следующих за импульсом:

Спектр 2T-импульса занимает всю полосу частот 0 … f_гр (см. рис. 3), однако в высокочастотной области сосредоточена лишь малая часть энергии импульса. Поэтому 2T-импульс используют для контроля искажений только в полосе частот (0 … 0.6)f_гр.

Рис. 3. Элемент B1: синусквадратичный 2T-импульс

 Искажения частотной характеристики в области более высоких частот не приводят к заметному искажению формы импульса. Синусквадратичный T-импульс позволяет оценить искажения в полной полосе частот (до f_гр = 6 МГц), но предварительно он должен быть пропущен через фильтр низких частот с частотой среза f_ср = f_гр = 6 МГц и характеристикой, близкой к идеальной.

· Cинусквадратичные импульсы шириной 20T = 1.66 мкс (элемент F) и 10T = 0.83 мкс (элемент F1) с заполнением гармоническим колебанием частоты цветовой поднесущей системы PAL f_sc = 4.43361875 МГц (рис. 4). Предназначены для оценки различия усиления и расхождения во времени сигналов яркости и цветности по искажениям основания импульса (см. рис. 4). Огибающая импульса имитирует низкочастотную составляющую сигнала яркости, заполнение – сигнал цветности.

Различие усиления сигналов яркости и цветности (в процентах):

Расхождение во времени сигналов яркости и цветности:

.

Рис. 4. Элемент F: синусквадратичный импульс шириной 20T с

заполнением гармоническим колебанием частоты цветовой

поднесущей fsc = 4.43361875 МГц

 

· Сигнал 2, сигнал Pulse & Bar («импульс и полоса»): сложный композитный измерительный сигнал, содержащий в интервале каждой строки синусквадратичный 2T-импульс (элемент B1), синусквадратичный 20T-импульс с высокочастотным заполнением колебанием частоты цветовой поднесущей системы PAL f_sc = 4.43361875 МГц (элемент F) и прямоугольный импульс (элемент B3) (рис. 5).

Рис. 5. Сигнал 2 (Pulse & Bar): синусквадратичные 2T-импульс, 20T-импульс с заполнением, прямоугольный импульс (указаны обозначения элементов)

 

     Начальная фаза колебания цветовой поднесущей соответствует пурпурному цветовому тону.

В компонентном варианте сигнала синусквадратичный 20T-импульс (элемент F) не содержит высокочастотного заполнения. Сигналы синусквадратичного 20T-импульса в компонентах E'_R, E'_G, E'_B (или E'_Y, E'_{R- Y}, E'_{B- Y}) формируют изображения импульса с пурпурным цветовым тоном.

· Сигнал 4, сигнал Multi Burst («мультивспышка», «многократная вспышка»): измерительный сигнал, содержащий несколько фрагментов синусоидальных колебаний («частотных пачек») с фиксированными частотами (элемент C2), расположенных на пьедестале в виде элемента B5, и опорный элемент C1 (два трапецивидных импульса положительной и отрицательной полярности) (рис. 6).

Рис. 6. Сигнал 4 (MultiBurst): фрагменты синусоид с фиксированными частотами и опорный двухполярный импульс (указаны обозначения элементов)

Предназначен для оценки амплитудно-частотных характеристик на дискретных частотах:

                                                       A(f_i) = U(f_i)/U_C1,                                                            (2)

где f_i – частоты сигналов пачек; U(f_i) – размахи сигналов частотных пачек; U_C1 – размах опорного элемента C1.

Композитный и компонентный варианты сигнала различаются числом и частотами пачек. В композитном сигнале шесть частотных пачек с частотами f_i = 0.5, 1, 2, 4, 4.8, 5.8 МГц (см. рис. 6). В яркостной компоненте E'_Y шесть пачек с частотами f_i = 0.5, 1, 2, 3, 4, 5 МГц; в цветоразностных компонентах E'_{R - Y}, E'_{B - Y} пять частотных пачек с частотами f_i = 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 МГц.

Сигнал используют также для формирования тестового изображения в виде групп вертикальных штрихов с различными пространственными частотами. Такое изображение предназначено для визуальной или инструментальной оценки разрешающей способности: его продольная четкость характеризует разрешающую способность воспроизводящего устройства или ТВ системы в целом.

· Сигнал 5: содержит в активной части каждой строки синусоидальное колебание с частотой, равномерно изменяющейся в пределах поля в диапазоне 0.5 … 8.5 МГц (элемент C3, рис. 7), расположенное на пьедестале в виде элемента B5, и опорный элемент C1 (два прямоугольных импульса положительной и отрицательной полярности). Частотные отметки формируются в моменты времени, соответствующие частотам, кратным 1 МГц (размах элемента C1 в сигнале уменьшается до 40%). Предназначен для оценки АЧХ при непрерывно изменяющейся частоте.

Рис. 7. Элемент C3: синусоидальное колебание с частотой, линейно возрастающей в пределах поля

Сигнал Line Sweep («свип-сигнал», «качание частоты»): компонентный измерительный сигнал, содержащий в интервале каждой строки синусоидальное колебание с частотой, линейно возрастающей в пределах активной части строки, расположенное на пьедестале (рис. 8).

Рис. 8. Сигнал Line Sweep: синусоидальное колебание с частотой, линейно возрастающей в пределах активной части строки.

 

Представлен как в виде сигналов основных цветов E'_R, E'_G, E'_B, так и в виде яркостного и цветоразностных сигналов E'_Y, E'_{R- Y}, E'_{B- Y}. Диапазон изменения частоты 0.5 … 6 МГц в сигналах E'_R, E'_G, E'_B и в сигнале E'_Y, и 0.25 … 3 МГц в сигналах E'_{R- Y}, E'_{B- Y}. Частотные отметки в сигналах E'_R, E'_G, E'_B и E'_Y формируются в моменты времени, соответствующие частотам 0.5, 1, 2, 3, 4, 5 МГц, а в сигналах E'_{R- Y}, E'_{B- Y} – в моменты времени, соответствующие частотам 0.25, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 МГц.

Сигнал предназначен для оценки АЧХ при непрерывно изменяющейся частоте:

                            A(f) = U(f)/U_Y,                                               (3)

где U(f) – размах сигнала на частоте f; U_Y = 0.7 В – номинальный размах сигнала яркости от уровня гашения до уровня белого. Сигнал также используют для формирования тестового изображения в виде вертикальных штрихов, пространственная частота которых непрерывно возрастает слева направо. Продольная четкость такого изображения характеризует разрешающую способность воспроизводящего устройства или ТВ системы в целом (рис. 9).

Рис. 9. Использование измерительных сигналов Multi B urst и

Line Sweep для оценки АЧХ режекторного фильтра в канале

яркости транскодера SECAM-PAL.

 

· Сигнал Step («ступенька»): компонентный измерительный сигнал, содержащий в активной части каждой строки пятиступенчатый сигнал (элемент D1, рис. 10). Предназначен для оценки нелинейных искажений.

При линейной амплитудной характеристике размахи всех «ступенек» сигнала одинаковы. Наличие нелинейности сопровождается изменением (уменьшением или увеличением) размаха некоторых «ступенек». Коэффициент нелинейных искажений (в процентах):

                                                                                                      (4)

где U_max и U_min – максимальный и минимальный размахи «ступенек» (см. рис. 10).

Для оперативного выявления нелинейности и повышения точности измерений можно пропустить сигнал через дифференцирующую цепь и измерять размахи выбросов (см. рис. 10).

Рис. 10. Пятиступенчатый измерительный сигнал Step

· Сигнал Ramp («наклон»): компонентный измерительный сигнал, содержащий в активной части строки пилообразный сигнал (элемент D4). Позволяет точно контролировать нарушения линейности амплитудной характеристики по отклонению формы сигнала от прямой.

·  Сигналы 3.1а, 3.2а и др.: содержат в активной части строки ступенчатые или пилообразные сигналы с насадкой в виде синусоидального сигнала фиксированной частоты 1.2 МГц (элемент D3) (рис. 11). Предназначены для оценки крутизны амплитудной характеристики канала яркости (нелинейных искажений). При идеальной линейной характеристике размах колебания насадки постоянен. Непостоянство крутизны амплитудной характеристики приводит к различию размахов насадки на разных участках сигнала. В отличие от ступенчатого сигнала без насадки (Step), точность измерений не зависит от погрешности формирования «ступенек». «Ступени» лишь изменяют уровень постоянной составляющей высокочастотного сигнала, перемещая его в пределах рабочего участка амплитудной характеристики.

Колебание насадки выделяют с помощью полосового фильтра с центральной частотой f_ф =1.2 МГц. Коэффициент нелинейных искажений сигнала яркости (в процентах) рассчитывают в соответствии с (4), где под U_max и U_min понимают максимальный и минимальный размахи выделенного колебания насадки (см. рис. 11).

Рис. 11. Пилообразный и пятиступенчатый сигналы с насадкой частоты 1.2 МГц и выделенные колебания насадки при наличии нелинейных искажений.

 

· Сигналы 3.1, 3.2, сигнал Linearity («линейность») и др.: содержат в активной части строки ступенчатые или пилообразные сигналы с насадкой в виде синусоидального колебания частоты цветовой поднесущей f_sc = 4.43361875 МГц (элемент D2). Предназначены для оценки дифференциальных искажений (дифференциального усиления и дифференциальной фазы). Дифференциальные искажения приводят к различию размахов или/и фаз колебания поднесущей на разных участках сигнала.

Колебание поднесущей выделяют с помощью полосового фильтра с центральной частотой f_ф = f_sc = 4.43361875 МГц. Дифференциальное усиление (в процентах) характеризуют наибольшим (по абсолютной величине) из значений следующих величин:

или (5)

где U_sc – размах колебания поднесущей, соответствующий передаче уровня гашения; U_max, U_min – максимальный и минимальный размахи выделенного колебания поднесущей (аналогично рис. 11).

Дифференциальная фаза:

                                                     Δφ_дф = φ_max – φ_min ,                                                          (6)

где φ_max, φ_min – максимальный и минимальный сдвиг фазы поднесущей на разных участках сигнала.

В ряде случаев эти сигналы используют для оценки нелинейности канала цветности. Коэффициент нелинейных искажений (в процентах) рассчитывают в соответствии с (4), где под U_max и U_min понимают максимальный и минимальный размахи выделенного колебания поднесущей.

· Элемент G2: синусоидальное колебание частоты цветовой поднесущей f_sc = 4.43361875 МГц с тремя значениями размаха. В сочетании с пьедесталом в виде прямоугольного импульса предназначен для оценки нелинейных искажений сигнала цветности и его влияния на сигнал яркости.

Нелинейные искажения сигнала цветности приводят к нарушению пропорциональности между размахами поднесущей. Нелинейные искажений (в процентах) характеризуют наибольшим из значений, рассчитанных по следующим выражениям:

                                или ,                           (7)

где U₁, U₂, U₃ – размахи поднесущей меньшей, средней и большей «ступенек».

При оценке перекрестных искажений «цветность-яркость» сигнал яркости выделяют из композитного измерительного сигнала с помощью фильтра низких частот. Искажения (в процентах) оценивают как

                                                           ,                                                      (8)

где ΔU – изменение уровня сигнала яркости, выделенного из измерительного сигнала; U_Y = 0.7 В – номинальный размах сигнала яркости от уровня гашения до уровня белого.

· Сигнал Bowtie («бабочка»): компонентный измерительный сигнал, содержащий в активной части каждой строки синусоидальное колебание. Предназначен для оценки расхождения во времени яркостной компоненты E'_Y и цветоразностных компонент E'_{R- Y}, E'_{B- Y}. Частоты колебаний близки: ~ 500 кГц в компоненте E'_Y и ~ 502 кГц в компонентах E'_{R- Y}, E'_{B- Y}, а фазы колебаний противоположны в середине строки. После прохождения через канал связи сигналы каждой цветоразностной компоненты складываются с сигналом яркости в осциллографе, имеющем режим «Bowtie». Сумма сигналов имеет минимальную амплитуду в точке, где складываемые колебания находятся в противофазе (при равенстве задержек – посередине). Значение задержки сигнала E'_{R- Y} или E'_{B- Y} относительно сигнала E'_Y определяют по смещению точки минимума на осциллограмме результирующего сигнала (рис. 12).

Рис. 12. Оценка задержек цветоразностных сигналов относительно

сигнала яркости с использованием измерительного сигнала Bowtie. Задержка определяется по смещению точки минимума (оси симметрии) относительно середины сигнала.

 

Номенклатура ТВ измерительных сигналов и их элементов, методики использования сигналов и обработки результатов измерений регламентируются отечественными ГОСТами 18471-83 [2], 19871-83 [6], 7845-92 [7] и международными нормативными документами [5].