Характерной особенностью ТВ сигнала является широкий диапазон частот, занимаемый видеосигналом, Спектр частот видеосигнала Δf определяется разностью между верхней fв и нижней fн граничными частотами.
Δf = fв – fн .
Нижняя граничная частота видеосигнала соответствует передаче неподвижного изображения, имеющего минимальное число изменений яркости. Наиболее простым является неподвижное изображение, состоящее из двух деталей разной яркости, имеющих горизонтальную границу раздела. Такое изображение имеет одно изменение яркости при передаче одного кадра изображения. При чересстрочной развертке за нижнюю границу спектра fн следует принять частоту, равную числу полей, передаваемых в секунду, т.е. fн=50 Гц. Эта нижняя граница спектра сохраняется и при передаче любого сложного изображения, что объясняется условиями покадровой передачи изображения.
Верхняя частота спектра образуется при передаче максимально сложного изображения. Из анализа условий передачи наиболее сложного с точки зрения детальности ТВ изображения следует, что верхняя частота спектра fв определяется выражением:
fв = 0,5kФz2fк
где kФ– формат кадра ТВ изображения, т.е. отношение ширины b к его высоте h, равное 1,33. Расчет выполненный по вышеуказанному соотношению показывает, что fв≈6,0 МГц. Верхняя частота определяет степень воспроизведения контуров мелких деталей ТВ изображения. Это объясняется тем, что в горизонтальном направлении ТВ изображение не имеет дискретной структуры. Поэтому горизонтальный размер элемента изображения определяется длительностью его передачи τэл, которая обратно пропорциональна верхней граничной частоте спектра ТВ сигнала fв, т.е. fв=1/2τэл. С увеличением верхней частоты спектра длительность элемента уменьшается, а горизонтальная четкость увеличивается. Следовательно, четкость изображения по горизонтали определяется полосой пропускания ТВ системы, которая практически соответствует верхней граничной частоте спектра fв, так как fн<<fв
Экспериментальные исследования, проведенные в последнее время, показали, что телезрители предпочитают формат ТВ кадра с отношением сторон 16:9. Широкоформатное ТВ изображение существенно более комфортно при его рассматривании, чем традиционные форматы 4:3. Главная причина этого заключается в особенностях зрительного восприятия человека. В этом случае увеличивается угол зрения в горизонтальном направлении, что ведет к росту объема воспринимаемой информации. При этом в восприятии участвуют периферические области сетчатки, которые уменьшают заметность границ изображений, повышают различимость отображаемых объектов, а также усиливают впечатление объемности и относительного пространственного расположения рассматриваемых объектов. Поэтому в ТВ системах будущего предлагается формат кадра, равный 1,78. В свою очередь это приведет к некоторому увеличению верхней граничной частоты спектра ТВ сигнала (примерно в 1,33 раза).
Кроме основного спектра ТВ сигнала, распространяющегося от 50 Гц до примерно 6 МГц, имеется еще небольшой участок в границах от 0 до 2–3 Гц. Этот участок спектра соответствует так называемой постоянной составляющей ТВ сигнала, которая пропорциональна изменениям средней яркости ТВ изображения. Например, при длительной передаче изображения испытательной таблицы средняя яркость не меняется, поэтому частота сигнала постоянной составляющей равна нулю. Однако, во многих случаях, особенно, при передаче кинофильмов по телевидению, средняя яркость ТВ изображения меняется практически с частотой 2-3 Гц. Непосредственная передача сигнала постоянной составляющей в ТВ системе, не представляется возможной, так как многокаскадные видеоусилители не пропускают электрические сигналы с частотами, близкими к нулю. Поэтому в ТВ аппаратуре передача постоянной составляющей осуществляется косвенным путем, с помощью амплитудной модуляции (AM) СГИ ее спектр оказывается перенесенным в область основного спектра ТВ сигнала. Затем сигнал постоянной составляющей усиливается и передается совместно с основным ТВ сигналом.
ТВ сигнал при передаче неподвижного изображения является периодическим. Его спектр имеет линейчатый дискретный характер и состоит из частоты полей fпи ее гармоник, частоты строк fz и ее гармоник, а также боковых компонент, расположенных по обе стороны от каждой из гармоник частоты строк (рисунок 3.6). Текущее значение частоты спектральных составляющих ТВ сигнала
fт можно представить в виде следующего выражения:
fт=kнfz ± mнfп,
где kн и mн принимают целые значения 0, 1, 2, 3, .... Составляющие kнfz, гармоники строчной частоты) образуют первичный спектр ТВ сигнала или основные частоты. Амплитуды основных спектральных составляющих с ростом частоты убывают по экспоненциальному закону. Около каждой из основных частот спектра, группируются боковые составляющие, обусловленные кадровой разверткой и движением деталей изображения. Они образуют вторичный спектр с частотами mнfп, кратными частоте кадровой развертки.
Рисунок 3.6. Структура линейчатого спектра ТВ сигнала
Амплитуды составляющих вторичного спектра также убывают по экспоненциальному закону. Соотношение между амплитудами составляющих первичного и вторичного спектров зависит от вида изображения и расположения его относительно растра. Практически отношение максимума энергии к минимуму в спектре видеосигнала в зависимости от содержания изображения составляет величину от 2 до 35 дБ.
Если в изображении имеются преимущественно вертикальные линии или полосы, перпендикулярные горизонтальной оси, практически вся энергия будет сосредоточена в составляющих первичного спектра с частотами kнfz В целом основная энергия видеосигнала сосредоточена около гармоник fz, образуя дискретные зоны энергии, несущие информацию о передаваемом изображении.
При передаче подвижных изображений дискретная структура каждого из участков спектра, расположенного по обе стороны от гармоник строчной частоты, нарушается, и указанные участки приобретают сплошной непрерывный характер. Однако, скорость смены кадров в ТВ системе значительно превосходит скорость движения объектов в ТВ изображениях, поэтому незаполненные промежутки в спектре сохраняются, а структура спектра по-прежнему остается почти периодичной.
Аналоговые сигналы подвергаются в каждом из многочисленных устройств ТВ тракта воздействию шумов и других помех. Поэтому, при аналоговых способах усиления и обработки ТВ сигнала уровень воздействующих помех накапливается по мере увеличения протяженности линий связи. Существенно уменьшить искажения при передаче ТВ сигналов на большие расстояния, а также расширить возможности способов обработки ТВ сигналов позволяют цифровые методы передачи и обработки.