Лекция 6. Требования к каналам передачи видеосигнала

 

Цель лекции: изучение основных требований к частотным свойствам каналов

Содержание лекции: частотные характеристики видеосигнала, разрешающая способность видеосистемы

Спектральное и временное представление сигналов. При разверткe, которая применяется в системах замкнутого телевидения, частота следования кадров f_кадр = 25 Гц. Максимальная частота видеосигнала при этом будет равна: f_макс = 4х625²х25/3х2 = 6 510 416 Гц, т.е. примерно 6,5 МГц. Применение чересстрочной развертки позволяет взять частоту полукадров (частоту кадровой развертки F_кадр), определяющую мерцание экрана, равной частоте электросети 50 Гц, и этим самым ликвидировать мерцание и ослабить помехи от сети переменного тока, частота кадров f_кадр при этом оказывается равной 25 Гц, что определяет высшую частоту сигнала изображения – 6,5 МГц. При построчной развертке с F_кадр = 50 Гц высшая частота сигнала изображения будет 13 МГц. Минимальная частота сигнала изображения fс.мин остается равной частоте кадровой развертки F_кадр = 50 Гц, т.е., частоте полукадров – полей). Полоса частот видеосигнала простирается от 50 Гц до 6,5 МГц и вся она занята сигналом. При чересстрочной развертке существует значительная взаимная зависимость между видеосигналами в соседних полях и кадрах. Это позволяет считать видеосигнал периодичным с частотой кадровой развертки при передаче изображений неподвижных объектов. Видеосигналу присуща также определенная периодичность с частотой строк в результате высокой степени связи сигналов в соседних строках. С учетом высокой взаимной связи между строками и кадрами можно представить напряжение сигнала как временную функцию с периодом повторения строчной Т_с.р. и кадровой Т_{к.р .} разверток. Периодичность видеосигнала при передаче изображений неподвижных объектов является его главной особенностью. Периодическое колебание состоит из суммы постоянной составляющей (частота которой равна нулю) и ряда гармонических (синусоидальных) колебаний. Амплитуда частотных составляющих телевизионного сигнала падает с ростом частоты (номера гармоники). Первая гармоническая составляющая с частотой f_к1 = F_кадр = 50 Гц. Далее низкочастотный участок спектра занят гармониками частоты кадровой развертки. Вторая гармоника имеет частоту f_к2 = 2F_кадр = 100 Гц. Частота строк (625-я гармоника частоты кадров) и все ее гармоники являются гармониками частоты кадров

f_стр = Zf_кадр.= 625х25 = 15625 Гц.

При передаче неподвижных изображений около составляющих спектра гармоник частоты строк f_стр группируются боковые спектры, имеющие также вид дискретных линий, кратных частоте кадровой развертки F_кадр (± 50 Гц). В случае однокадровой передачи, когда частота кадров стремится к нулю и спектральные линии сольются, спектр преобразуется в непрерывный. Наличие в полном телевизионном сигнале строчных гасящих и синхронизирующих импульсов увеличивает интенсивность гармоник спектра сигнала, кратных строчной частоте, по их числу и амплитуде. При изменении динамики изображения меняется и положение линий спектра. Спектр как бы «дышит» относительно гармоник частоты строк. Участки полос сигнала будут тем больше, а пустые промежутки тем меньше, чем выше скорость движения деталей передаваемого объекта. Но даже при сравнительно высоких скоростях, пустые промежутки в спектре сигнала оказываются настолько значительными, что в них можно поместить дополнительную информацию о цветности передаваемых объектов. Речь идет о поднесущей цветности, которая представляет собой радиоимпульс с длительностью 2,25 мкс и несущей частотой 4,4336 МГц. «Импульсный характер» цветового синхроимпульса определяет то, что его спектр имеет достаточно большую ширину и по форме также является дискретным. Чем больше гармонических составляющих принимает участие в формировании выходного сигнала, тем более точно он соответствует входному, исходному сигналу. Не имеет значения, что более высокочастотные гармоники спектра видеосигнала имеют малые амплитуды. Они и должны быть такими, и их значением нельзя пренебрегать. Нельзя запросто ограничить спектр полосой частот в 3 МГц и ждать от системы хорошего распознавания деталей. Скорее всего, такая система позволит очень хорошо отличать только день от ночи. Спектр радиоимпульса, которым является «вспышка поднесущей» цветовой синхронизации, достаточно широкий. Он занимает полосу частот от 3,10 МГц до 5,77 МГц с центральной частотой 4,43 МГц (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 - Спектр радиоимпульса

Поэтому, для качественной передачи цветного видеосигнала необходима полоса пропускания системы не ниже 5,77 МГц. Это практически те же 6,5 МГц, которые мы определили при нахождении максимальной граничной частоты видеосигнала.

Теперь должно стать понятным, почему на осциллограмме (рисунок 3.19) радиоимпульс отображается с небольшой амплитудой – усилитель осциллографа с полосой 5 МГц его просто «зарезал». Чтобы при прохождении через усилительные цепи осциллографа не было ограничения спектра радиоимпульса, ширина полосы пропускания осциллографа должна быть не менее 6 МГц, а лучше – 10 МГц. Те же самые ограничения спектра происходят и в усилителях устройств и в линиях передачи видеосигналов. Если полоса пропускания устройств передачи видеосигнала ограничивает его спектр, то на приемной стороне мы будем наблюдать искаженный сигнал, а на мониторе – искаженное изображение.

Разрешающая способность видеосистемы. Принимая во внимание формат телевизионного кадра 4:3 (отношение ширины к высоте), и то, что вертикальное разрешение на практике равно 400 ТВЛ, а максимальное – 430 ТВЛ, максимальное число вертикальных линий – горизонтальное разрешение в телевизионных линияхбудет

430х4/3 = 573 ТВЛ.

Горизонтальное разрешение видеосистемы, имеющей в своем составе видеокамеру высокого разрешения 570 ТВЛ, может быть ухудшено за счет потерь высокочастотных составляющих спектра видеосигнала, внесенных несовершенной системой передачи. Практически, чтобы увидеть 570 ТВЛ на испытательной таблице, необходима полоса пропускания устройства передачи не менее 7 МГц. Другое дело, что такое разрешение не всегда требуется. Данные для требуемой полосы частот в зависимости от заданного разрешения приведены в таблице 6.1.

Т а б л и ц а 6.1 – Значения требуемой полосы частот в зависимости от заданного разрешения

№	Разрешение	Требуемая полоса частот
	240 ТВЛ	3 МГц
	320 ТВЛ	4 МГц
	400 ТВЛ	5 МГц
	480 ТВЛ	6 МГц
	570 ТВЛ	7 МГц

 

Основные выводы:

- независимо от выбора способа передачи аналогового видеосигнала необходимо использовать такие устройства передачи, которые обеспечивают необходимую коррекцию частотных искажений, вносимых линией, в полосе видеосигнала, по меньшей мере, от 50 Гц до 6 МГц;

- при использовании для передачи видеосигнала на расстояния 300 – 400 метров коаксиального кабеля надо учитывать его характеристику затухания. Если коаксиальный кабель имеет на частотах видеосигнала затухание в 3,6 дБ/100 м., то на трассе в 200 метров видеосигнал на высоких частотах получит затухание 7,2 дБ, что приведет к снижению амплитуд наиболее высокочастотных гармоник видеосигнала, к потере информации о мелких деталях изображения и снижению разрешающей способности. Изображение на экране монитора будет казаться размытым, и при просмотре обстановки создастся впечатление, что это следствие плохой фокусировки объектива видеокамеры;

- скомпенсировать в какой-то мере частотные искажения в коаксиальном кабеле можно, используя на приемной стороне видеоусилитель-корректор (ВУК);

- при длине кабельной трассы свыше 300-400 метров более целесообразно использовать аппаратуру передачи видеосигнала по витой паре. Это позволит одновременно решить вопрос как повышения помехозащищенности канала передачи видеосигнала, так и улучшения качества передаваемого изображения. При этом под «витой парой» не обязательно понимается компьютерный кабель для локальных вычислительных сетей;

- наилучшими характеристиками для передачи видеосигнала «по витой паре» на расстояния до 2000 метров обладает экранированный кабель телефонной городской связи. По своим частотным характеристикам, при длине от 1000 метров и выше, он значительно превосходит кабели AWG 24 (5-й категории) и П-274М (полевой). Последние два кабеля допускаются к использованию для качественной передачи видеосигнала только до 1000 метров и требуют введения дополнительной частотной коррекции;

- оценить качество системы передачи видеосигнала на этапе проектирования можно по сквозной амплитудно-частотной характеристике устройства передачи. Сквозная АЧХ с «нулевыми» частотными искажениями (± 0 дБ) является идеальной. Поэтому та система совершенней, которая ближе к идеалу.

- «нулевая» сквозная АЧХ свидетельствует о том, что «какой видеосигнал пришел на вход системы передачи, таким он и будет на выходе системы передачи». При этом имеет место точная передача всех частотных составляющих спектра видеосигнала. Идеальное изделие при передаче видеосигнала производит коррекцию искажений на всех частотах ровно настолько, насколько на каждой из этих частот вносит затухание кабель.
В зависимости от дальности допустимой является неравномерность АЧХ: ± 1,5…2,0 дБ;

- чем больший запас по затуханию имеет устройство передачи, тем большее число раз можно организовать ретрансляцию видеосигнала с целью увеличения общей дальности передачи.

Список литературы

1 ГОСТ Р 51558 – 2000. «Системы охранные телевизионные. Общие технические требования и методы испытаний», 2001г.

2 Р 78.36.002 – 99. Выбор и применение телевизионных систем видеоконтроля. Рекомендации. – М.: ГУВО МВД РФ, 2000.

3 Постановление правительства РК № 407 от 05.04.2002г. «О мерах по реализации Закона Республики Казахстан «Об охранной деятельности».

4 ANSI/TIA/EIA-568-В.1 «Стандарт телекоммуникационных кабельных систем коммерческих зданий. Часть 1. Общие требования». Опубл. 1 апреля 2001 года.

5 ГОСТ Р 50009-2000. «Технические средства охранной сигнализации. Требования и методы испытаний», 2001 г.

6 РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений», 1988 г.

7 С.И. Неизвестный, О.Ю. Никулин. Приборы с зарядовой связью - основа современной телевизионной техники. Основные характеристики ПЗС // Специальная техника, №5, 1999.

8 А.Б.Семенов, С. К. Стрижаков, И.Р. Сунчелей. Структурированные кабельные системы. - Москва, 2001.

9 Н.Уваров. Зоны обзора видеокамер. http://www.security-bridge.com/articles.php?action=view&cid=10&id=286

10В. Синилов. Охранное телевидение в системе безопасности объекта // Скрытая камера, № 3, 2003.

11 Д. Филлипов. Особенности применения широкоугольных и длиннофокусных объективов // Все о вашей безопасности, № 3, 2003.

12 Уваров Н.Е. Визуальная обстановка в системах телевизионного наблюдения. http://www.sec.ru/articles.cfm?aid=200

13 Лобанов В.Д., Е.В. Соловьёв, Н.Е. Уваров, Н.Г. Хитрово. Управление чувствительностью камер на ФПЗС // Техника кино и телевидения, № 9, 1988.

14 О. Крутц. Цифровые видеорегистраторы и кассетные видеорегистраторы с прерывистой записью сигнала: история и текущее состояние вопроса // Скрытая камера, № 6, 2003.

15 Н.Уваров. Настройка системы диафрагмирования ТВ камер // Скрытая камера, № 8-9(16), 2003.

16 В.Денисенко, А.Халявко. Защита от помех датчиков и соединительных проводов систем промышленной автоматизации // Современные технологии автоматизации, № 1, 2001.

17 А. Уилт. Чем определяется резкость // Цифровое видео, № 6, 2000.

18 А.Кисельков, Е.Кочетков. Основные причины выхода из строя оборудования видеонаблюдения // Защита информации, № 7, 2004.

19 ГОСТ 13109 – 97. «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра радиотехники

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебно-методической работе

__________________Э.А.Сериков

«____»_____________2009г.