§ 8.3. Обработка сигнала, воспроизводимого видеомагнитофоном

Воспроизводимый видеомагнитофоном телевизионный сигнал должен быть подвергнут дополнительной обработке для того, чтобы исключить характерные для видеомагнитной записи искажения «ременного масштаба, сделать незаметными на изображении выпадения (пропуски) в сигнале и исключить возникающие при переключении головок и выпадениях помехи в области «чернее черного». т. е. в динамическом диапазоне синхронизирующих импульсов. Широкие возможности по обработке телевизионного сигнала открываются при использовании цифровых запоминающих устройств. Поэтому корректоры временных искажений, содержащие ЗУ, проектируются как устройства, выполняющие все операции, устраняющие перечисленные искажения.

Временные искажения. Поскольку не удается обеспечить одинаковые скорости перемещения головки видеомагнитофона относительно ленты в режимах записи и воспроизведения, временной масштаб воспроизводимого сигнала отличается от временного масштаба исходного сигнала Здесь отрезок траектории головки на ленте, т. е. отрезок строчки, — время прохождения головкой отрезка в режимах воспроизведения и записи. Отличие временных масштабов записываемого и ноенронэводимого сигналов называют временными искажениями. Причинами временных искажений являются нестабильность скорости вращения диска с головками, износ головок, изменение натяжения ленты, эксцентриситет диска с головками и другие факторы, связанные с точностью изготовления и установки механических узлов, а также с характеристиками систем автоматического управления. обеспечивающими равномерность движения головок по магнитной ленте.

Особенно сильно временные искажения проявляются при воспроизведении старых записей и записей, выполненных на других видеомагнитофонах. Одно- и двухголовочные видеомагнитофоны с наклонно-строчной записью поля изображения на одной строчке ленты создают в основном низкочастотные временные искажения.

верхняя граница спектра которых не превышает нескольких десятков герц. В четырехголовочных видеомагнитофонах спектр временных искажений шире из-за возмущений фазы воспроизводимого сигнала, возникающих с частотой переключения головок. От спектра временных искажений существенно зависит характер их проявления на экранах просмотровых устройств и их влияние на работу звеньев ТВС.

Предположим, что период строк, начиная с момента получил постоянное приращение относительно опорного сигнала, расхождений с которым до момента не было. Тогда, начиная с фазы сигналов расходятся (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Фазовые соотношения телевизионного сигнала (а) и опорных импульсов (б)

На экране просмотрового устройства, синхронизированного опорным сигналом, линии, до момента являющиеся вертикальными, приобретают наклон и начинают перемещаться при положительном слева направо с временным сдвигом за кадр на Угол наклона линий где — длина и высота растра; — длительность активной части строки; — число активных строк кадра.

При имеем . При

При малых , следовательно, малых а наклон перемещающихся линий незаметен. Если приращение не остается постоянным и изменяется с низкой частотой при среднем значении, равном нулю, изображение «качается» относительно нормального положения. Линии изображения, бывшие до момента вертикальными, либо перемещаются без заметного наклона, либо в зависимости от и частоты его изменения наклоняются и изгибаются. Искажения становятся практически незаметными, если просмотровые устройства синхронизируются импульсами, селектированными из сигнала, воспроизводимого видеомагнитофоном, так как временной

масштаб строк при малых изменяется мало, а накопление фазовой ошибки исключается «привязкой» координат всех отсчетов яркости вдоль строки к началу строчной развертки.

Естественно, что все это справедливо для малых при которых с искажениями временного масштаба в пределах строки можно не считаться. В дальнейшем такие искажения будем называть построчными в отличие от внутристрочных искажений с существенными изменениями временного масштаба в пределах строки.

При расширении спектра временных искажений возможность наблюдения неискаженного изображения на просмотровых устройствах, синхронизируемых импульсами воспроизводимого сигнала, сохраняется до тех пор, пока из-за инерционности цепей синхронизации и разверток не возникает расхождения между синхронизирующими импульсами и началом строчной развертки. Так, при скачке фазы сигнала, происходящем при переключении головок, возникает переходной процесс, во время которого начало строчной развертки остается смещенным относительно синхронизирующих импульсов, и изображение искажается. Сохраняется способность воспроизведения неискаженного изображения при сравнительно высокочастотных временных искажениях в просмотровых устройствах с безынерционными развертками.

Возможность просмотра неискаженных изображений на просмотровых устройствах, не реагирующих на временные искажения телевизионного сигнала, используется в замкнутых прикладных телевизионных системах со сравнительно простыми функциями. В прикладных ТВС, использующих ЭВМ для анализа и обработки изображения, временные искажения телевизионного сигнала вносят погрешность в отсчет координат деталей изображения, разрушают корреляционные связи, затрудняют перезапись сигнала на дисковые магнитные накопители и т. п. Поэтому обязательным элементом таких систем является корректор временных искажений, восстанавливающий на входе системы телевизионный сигнал, искаженный при магнитной записи.

В вещательном телевидении коррекция временных искажений необходима для синхронизации сигнала видеомагнитофона с телевизионными сигналами других источников, а также для выполнения требований ГОСТа по стабильности телевизионного сигнала.

Коррекция временных искажений. Корректор временных искажений восстанавливает временной масштаб телевизионного сигнала, искаженный в видеомагнитофоне, и синхронизирует воспроизводимый видеомагнитофоном сигнал с опорным.

В большинстве случаев современные корректоры временных искажений выполняются на базе цифровой техники. Основой корректора (рис. 8.12) является цифровое запоминающее устройство. Селектор и управляемый тактовый генератор формируют импульсы, синхронные с телевизионным сигналом, поступающим на вход Эти импульсы поступают на АЦП, демультиплексор схему управления памятью и в режиме записи

Селектор на входы 2, 3 которого поступают полный телевизионный сигнал или сложный синхросигнал (сигнал синхронизации приемников) и импульсы полустрочной частоты от опорного источника, совместно с тактовым генератором вырабатывают стабильные импульсы для: схемы управляющей ЗУ в режиме считывания, мультиплектора М, цифрового устройства регенерации сигнала синхронизации Р и ЦАП. С выхода снимается стабильный аналоговый телевизионный сигнал без временных искажений. Измеритель длительности строк И и дополнительное ЗУ предназначаются для коррекции внутристрочных (дифференциальных) искажений.

С выхода 5 формирователя Ф на видеомагнитофон подается опережающий сложный сигнал синхронизации, с помощью которого воспроизводимый сигнал фазируется так, что после устранения временных искажений выходной сигнал корректора совпадает по фазе с сигналом местного опорного источника. Отметим, что в результате синхронизации видеомагнитофона и корректора временных искажений связанными по фазе опорными сигналами ограничивается диапазон временных искажений и уменьшается необходимая для их коррекции емкость памяти. При невыполнении этого условия, например при временных искажениях телевизионного сигнала, поступающего от автономно работающего видеомагнитофона по однонаправленной линии связи, для коррекции должен быть использован синхронизатор с емкостью памяти, не меньшей, чем поле изображения.

Рис. 8.12. Функциональная схема корректора временных искажений

Преобразование входного аналогового сигнала в цифровой и обработка сигнала, считанного с ЗУ, осуществляются в корректоре временных искажений так же, как в синхронизаторе телевизионных сигналов (см. § 6.3). Запоминающее устройство корректора временных искажений строят так, чтобы запись и считывание либо всегда были смещены во времени (см. § 7.3), либо одновременно производились в разных секциях При использовании второго способа разделение процессов записи и считывания возможно при числе секций в канале ЗУ не менее трех.

При низкочастотных временных искажениях, характерных для видеомагнитофонов, регистрирующих поле изображения на одной строчке магнитной ленты, тактовые импульсы для дискретизации сигнала, поступающего на вход корректора, формируется так, что число выборок во всех строках искаженного сигнала остается

одинаковым. Интервал дискретизации входного аналогового сигнала в этих условиях связан с периодом строк соотношением где приращение длительности строки — номинальная длительность строки; что означает, что независимо от величины временных искажений каждая строка записывается в ячеек памяти. В режиме считывания опрос ячеек памяти производится со стабильной тактовой частотой при отношении длительности строки к периоду тактовых импульсов, также равном . В результате временной масштаб сигнала выравнивается, длительность строк приобретает постоянное значение, равное длительности строк опорного источника.

Рис. 8.13. Зоны записи и считывания в трех последовательно соединенных секциях памяти

При числе выборок в строке, равном к, в каждый канал ЗУ за строку вводится двоичных отсчетов. Обычно запись каждой строки телевизионного сигнала начинают с первой ячейки соответствующего столбца матрицы памяти и в каждый столбец записывают одну строку. Столбцы заполняют последовательно с первого по последний, далее опять первый и т. д.

Предположим, что диапазон временных искажений составляет строк сигнала и в память из трех секций можно записать строк. Выбранный сдвиг в массиве памяти между адресами записи и считывания изменяется только из-за временных искажений, так как видеомагнитофон синхронизирован стабильными опорными импульсами, с которыми в режиме считывания связаны все сигналы. Если сигнал последовательно записывают в секции 1, 2, 3, а затем, снова в секцию 1 и т. д. и при отсутствии временных искажений считывание с секции 1 начинается в момент записи в середину секции 2, то при временных искажениях никогда не возникает необходимости одновременно производить операции записи и считывания в одной секции (рис. 8.13). Покажем один из путей уменьшения емкости памяти. Допустим, что емкость памяти одной секции строк сигнала, где — целое число. Тогда можно исключить одновременное обращение к одной и той же секции в режимах записи и считывания при общей емкости памяти строк сигнала. Если при отсутствии временных искажений и записи в первую ячейку секции 1 считывание начинается

с середины массива памяти, то при временных искажениях, не превышающих строк, запись и считывание сигнала осуществляются в разных секциях. Таким образом в результате увеличения числа секций уменьшается емкость памяти

При низкочастотном спектре временных искажений тактовые колебания для АЦП, демультиплексора и цепей управления ЗУ в режиме записи могут быть получены с помощью схемы фазовой, автоподстройки частоты (ФАПЧ) тактового генератора (рис. 8.14). Сравнение фаз и формирование сигнала рассогласования осуществляются фазовым детектором на входы которого подаются строчные синхронизирующие импульсы, выделенные из воспроизводимого видеомагнитофоном сигнала, и импульсы частоты строк, полученные с помощью делителя частоты кратность которого

Рис. 8.14. Функциональная схема фазовой автоподстройки частоты

Чтобы временные искажения обеих последовательностей строчных импульсов были одинаковы, параметры ФНЧ выбраны так, чтобы разность фаз выходных импульсов делителя и входных строчных синхронизирующих импульсов незначительно изменялась из-за временных искажений. Это означает, что для составляющих спектра временных искажений коэффициент должен быть близок единице, где — зависимость от частоты фазы выходных импульсов делителя частоты; — зависимость от частоты фазы строчных синхронизирующих импульсов на входе схемы ФАПЧ.

С целью повышения стабильности разности фаз колебаний тактового генератора и входных строчных синхронизирующих импульсов схему ФАПЧ дополняют вторым фазовым детектором осуществляющим точное измерение фаз импульсов на частоте строк и управляющим фазовращателем ФВ, воздействующим на фазу тактовых импульсов. Использование части поднесущей цветоразностных сигналов, передаваемой в пределах строчного гасящего импульса, для управления частотой тактовых колебаний в системе SECAM осложнено тем, что, во-первых, частоты поднесущих изменяются через строку и, во-вторых, в пределах строчного гасящего импульса не регламентируется связь по фазе строчных синхронизирующих импульсов и поднесущей.

При низкочастотных временных искажениях адреса начала строк телевизионного сигнала в ЗУ корректора целесообразно задавать выходными импульсами делителя схемы ФАПЧ, используя инерционность тракта формирования этих импульсов для повышения помехозащищенности цепей записи.

При более высокочастотном спектре временных искажений импульсы строчной частоты, формируемые схемой ФАПЧ, не повторяют временных искажений входного сигнала. Коррекция построчных временных искажений в таких условиях осуществляется путем задания адреса начала каждой строки телевизионного сигнала в матрице памяти строчными синхронизирующими импульсами, выделенными из воспроизводимого видеомагнитофоном сигнала безынерционными селектирующими цепями. Естественно, что должны быть приняты меры, обеспечивающие необходимую помехозащищенность. При двухканальном селекторе строчных синхронизирующих импульсов необходимо в канале с неуправляемой привязкой исключить импульсы помех, превышающие по размаху сигнал синхронизации и вызывающие блокировку тракта, а в импульсной части схемы управляемой привязки уменьшить вероятность появления ложных сигналов.

При безынерционном управлении адресами записи для формирования тактовых колебаний используют генераторы ударного возбуждения с жесткой связью начальной фазы колебаний со строчными синхронизирующими импульсами.

В большинстве случаев при нормальной скорости протяжки магнитной ленты внутристрочные искажения, называемые также дифференциальными искажениями и скоростными ошибками, достаточно малы и при воспроизведении сигнала системы SECAM отдельно не корректируются. Необходимость коррекции внутри-строчных искажений возникает в видеомагнитофонах с наклоннострочной записью, когда просматриваются изображения при ускоренной и замедленной скорости протяжки и при остановленной магнитной ленте (режим стоп-кадра). В этих режимах скоростные ошибки увеличиваются, так как траектория головки на ленте отличается от траектории головки в режиме записи.

Ускорения протяжка ленты приводит к переходу со строчки на строчку записи во время считывания поля изображения. Скорость развития сюжета на экране просмотровых устройств при этом возрастает, на изображении появляются заметные горизонтальные полосы из-за потери информации при переходе со строчки на строчку записи. Обычно скорость движения ленты изменяют в раз, где — целое число.

Качество ускорения удается сохранить при ускорении и замедлении протяжки ленты в два раза. При остановке магнитной ленты считывается одна строчка записи.

Совпадение траектории головки с дорожкой записи в режимах, отличных от нормального, обеспечивает специальная дополнительная система «автотрекинг», вызывающая необходимое смещение головки. Ускоренная и замедленная протяжка ленты используется для быстрого и точного отыскания интересующего фрагмента записи. Режим стоп-кадра служит для длительного просмотра отдельных кадров изображения.

Коррекция внутристрочных искажений проводится и в прикладных телевизионных невещательных системах с большой длительностью строк, за время воспроизведения которых скоростные ошибки накапливаются и становятся значительными.

Из-за отсутствия сведений о распределении временных ошибок внутри строк коррекцию производят, полагая, что временные искажения нарастают линейно. Такое допущение принимается на основании того, что в начале строки временные искажения равны нулю, так как этот момент фиксируется в памяти в режимах записи и считывания; в конце строки временные искажения достаточно точно измеряются, а в интервале строки отсутствуют причины для немонотонного изменения ошибок. В реальной ситуации линейная аппроксимация позволяет решить задачу коррекции внутристрочных искажений достаточно точно. Временные искажения становятся известными только в конце строки, поэтому коррекцию проводят в задержанном сигнале, изменяя временной масштаб на основании данных об ожидаемых внутристрочных искажениях, которые в задержанном сигнале оказываются в начале текущей строки.

Перечислим и кратко охарактеризуем операции по компенсации внутристрочных искажений в корректоре с цифровым ЗУ. В конце каждой строки входного телевизионного сигнала временные искажения измеряются как отклонение длительности строки от номинальной. Временную шкалу для оценки длительности строки образуют тактовые колебания. Результат измерений вводится в дополнительное запоминающее устройство (см. рис. 8.12). Если емкость основного запоминающего устройства строк, то содержит ячеек, запоминающих величину внутристрочных временных искажений. В режиме считывания информация, поступающая из используется для управления тактовой частотой и, следовательно, для изменения временного масштаба сигнала.

Считывание из дополнительного и основного ЗУ производится со сдвигом на строку, поэтому данные о временных искажениях в строке I поступают в конце строки что позволяет своевременно установить тактовую частоту, необходимую для устранения временных искажений в строке Если период колебаний тактовой частоты изменяется в начале строки на то смещение временных отсчетов внутри строки линейно нарастает и длительность строки изменяется на где — число временных отсчетов (число периодов тактовых колебаний) в строке. При неполной коррекции временные искажения проявляются в конце строк в правой части растра в виде «зубцов» на вертикальных линиях изображения.

Необходимо отметить, что при записи сигналов вещательного телевидения системы SECAM внутристрочные временные ошибки не превышают допустимой величины и не требуют коррекции.

Выпадения воспроизводимого сигнала. Дефекты магнитного слоя ленты, как производственные, так и возникающие в процессе эксплуатации, вызывают значительные изменения размаха и

паузы в воспроизводимом ЧМ-сигнале. Помехи такого вида называют выпадениями сигнала. Выделяют помехи с помощью амплитудного детектора и пороговой схемы, подключенной к детектору. Выходные импульсы пороговой схемы, называемые в дальнейшем импульсами выпадений, несут информацию о времени появления и длительности помех. Эти импульсы используют в схеме компенсации выпадений, входящей в состав корректора временных искажений [19].

Для компенсации выпадений в состав корректора временных искажений (рис. 8.15) включают устройство, содержащее цифровой фильтр ЦФ, выделяющий из полного цифрового телевизионного сигнала, поступающего на вход 1, составляющую цветности, схему вычитания для получения яркостной составляющей, коммутируемые цифровые линии задержки Р, и выходной сигнал которых используется для замещения выпадений, дополнительное запоминающее устройство для импульсов выпадений, подаваемых на вход 3, и суммирующую схему объединяющую яркостную и цветовую составляющие сигнала. Запись и считывание в основном и дополнительном ЗУ осуществляют с помощью согласованных адресных сигналов (входы 4, 5), поэтому появление на выходе импульса выпадений свидетельствует о том, что из ЗУ в данный момент либо с некоторой известной заранее задержкой начнется считывание сигнала, искаженного помехой.

Рис. 8.15. Функциональная схема компенсатора выпадений

При воспроизведении сигнала системы SECAM используется несколько способов компенсации выпадений. Наиболее простой способ сводится к замещению сигнала строки искаженного помехой выпадений, сигналом строки . В строке передается цветоразностный сигнал того же вида, что и в строке и поэтому выполняются требования системы SECAM по чередованию цветоразностных сигналов.

При втором способе также предполагается замещение всей строки независимо от длительности помехи выпадений, однако для уменьшения искажений изображения, для замещения строки используются яркостный сигнал строки и ЧМ-сигнал цветовой поднесущей строки При третьем способе, в строке яркостный сигнал только на участке выпадений заменяют соответствующим участком строки цветовую поднесущую строки так же, как и при первых двух способах, полностью заменяют цветовой поднесущей строки .

При всех способах компенсации выпадений ЧМ-сигнал цветности замещается на всей строке для того, чтобы избежать скачка

фазы поднесущей, который возникает при замещении отдельного участка строки и приводит к искажениям изображения.

Основным элементом цифровой схемы компенсации выпадений по первому способу является дискретная линия задержки на две 1 строки с коммутатором на входе (рис. 8.16, а). Предположим, что выпадение совпало с частью строки (рис. 8.16, б). Смещение адресов считывания информации из дополнительной памяти относительно адресов считывания из основной памяти позволяет получать сигнал о выпадении в строке заранее во время следования строки для того, чтобы в начале строки перевести переключатель в положение 2. В результате, начиная с момента на вход линии с ее конца вместо искаженного помехой сигнала строки I поступает сигнал строки (рис. 8.16, в). Если действие помехи прекратилось, в начале строки переключатель возвращается в исходное положение. Выходной сигнал не имеет помехи выпадений, так как вместо сигнала строки следует сигнал строки . Если помеха выпадений искажает две строки, строка замещается сигналом строки (рис. 8.16, г, д). В замещенных строках может быть нарушено чередование начальных фаз поднесущих, принятое в системе SECAM. Это кратковременное отклонение от установленных требований не приводит к заметным искажениям изображений и может считаться допустимым.

Рис. 8.16. Коммутируемая линия задержки (а), варианты выпадений и сигнал после замещения выпадений

Реализация второго способа компенсации выпадений возможна только при разделении воспроизводимого сигнала на две составляющие — яркостный сигнал и сигнал цветности. Цифровой сигнал цветности выделяется цифровым фильтром из сигнала, считываемого из основного ЗУ корректора в виде кодированных цветовых поднесущих. Цифровой яркостный сигнал получают вычитанием из полного сигнала сигнала цветности. Для замещения выпадений используют две коммутируемые цифровые линии с задержкой на одну и две строки. При искажении помехой сигнала строки для замещения используют яркостную составляющую сигнала строки I—1 и сигнал цветности строки (рис. 8.17).

Процесс коммутации сигналов на входах линий задержки при первом и втором способах компенсации выпадений принципиально не отличается. Снимаемые с линий яркостной сигнал и сигнал цветности, не имеющие выпадений, вновь объединяются в полный телевизионный

сигнал. При сложении путем чередования операций сложения и вычитания сигналов поддерживается принятый в системе SECAM порядок следования начальных фаз цветовых поднесущих. Информацию для выбора операций (прибавление или вычитание цветовой поднесущей) получают, сравнивая фазы немодулированных поднесущих в пределах строчных гасящих импульсов выходного сигнала корректора и местного опорного сигнала.

Третий способ компенсации выпадений отличается от второго тем, что линия задержки в тракте яркостного сигнала коммутируется не в начале и конце строки, а в моменты, совпадающие с фронтом и срезом импульса выпадений. Замещается в этом случае не вся строка, а только ее искаженный участок.

Рис. 8.17. Замещение выпадений: а, б — коммутируемые линии задержки: в — исходный сигнал; г, д — яркостной и цветоразностные сигналы после замещения выпадений

Все рассмотренные варианты компенсации выпадений относились к считыванию сигнала из ЗУ корректора временных искажений. Компенсация выпадений может быть осуществлена и перед записью сигнала в память. В этом случае отпадает необходимость в запоминании импульсов выпадений, однако в тракт цифрового телевизионного сигнала перед ЗУ должна быть включена линия задержки для получения необходимых фазовых соотношений между импульсом выпадений, замещающим и искаженным сигналами.