Спектральное представление сигналов

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 частой f_k1 = F_кадр = 50 Гц. Далее низкочастотный участок спектра 'занят гармониками частоты кадровой развертки. Вторая гармоника имеет частотуf_k2 = 2F_кадр = 100 Гц. Частота строк (625-я гармоника частоты кадров) и все ее гармоники являются гармониками частоты кадров. F_стр = Zf_кадр = 625x25 = 15625 Гц

Как видно из рисунка 2, 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 (±50Гц). В случае однокадровой передачи, когда частота кадров стремится к нулю и спектральные линии сольются, спектр преобразуется в непрерывный. Наличие в полном (композитном) телевизионном сигнале строчных гасящих и синхронизирующих импульсов увеличивает интенсивность гармоник спектра сигнала, кратных строчной частоте, по их числу и амплитуде.

На рисунке 2 спектр видеосигнала представлен схематически. Главной задачей было показать, что амплитуды спектральных составляющих убывают с ростом частоты, причем скорость убывания амплитуд и ширина спектра определяются содержанием изображения. Спектр состоит из "сгустков энергии" (максимумов) на частотах, кратных частоте строк и расположенных между ними "нулей" - минимумов. На самом деле максимумов и минимумов в спектре гораздо больше, чем изображено на рис. 2. Достаточно сказать, что частоте 1 МГц - соответствует 64-я гармоника частоты строк. Сто двадцать восьмая гармоника частоты строк f_c128 = 2 МГц, f_cl92 = 3 МГц, f_с256 = 4МГц, f_c320 = 5 МГц, f_c384 - б МГц, f_c400 = 6,25 МГц.

Рис. 2. Структура спектра видеосигнала

В системах замкнутого телевидения в основном передаются движущиеся изображения, поэтому сигнал последующего кадра будет несколько отличаться от сигнала предыдущего. Считать его чисто периодическим уже нельзя, следовательно, и его спектр дискретным уже не будет. Дискретные линии спектра неподвижного изображения при движущемся изображении "расплывутся" в полосы, участки, заполненные сигналом. Это хорошо видно на рисунке 3. Около каждой дискретной составляющей спектра появляются дополнительные верхняя и нижняя боковые полосы, в результате спектр видеосигнала становится более плотным.

Рис.3. Расширение спектра при движущемся изображении

На практике отклонение частоты повторения сигнала от частоты строчной развертки f_стр = 15625 Гц составляет всего лишь "единицы Гц". 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, то 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 4,433б МГц. "Импульсный характер" цветового синхроимпульса определяет то, что его спектр имеет достаточно большую ширину и по форме также является дискретным. На рис. 2 видно, как сгустки энергии спектра цветового синхроимпульса размещаются в промежутках спектра сигнала яркости. Происходит так называемое "переплетение спектров", когда спектры двух сигналов: яркостного сигнала и сигнала цветности занимают общие участки частотной оси, не нарушая при этом выполнения каждым из сигналов своих функций. На рис. 3 спектр сигнала цветности вынесен, для наглядности, несколько вниз.

Главное состоит в том, что все это многообразие частотных составляющих надо при передаче сохранить. 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 3МГц и ждать от системы хорошего распознавания деталей. Скорее всего, такая система позволит очень хорошо отличать только день от ночи.

Большинство видеосистем наблюдения имеют ограниченное число видеокамер, необходимая зона видимости перекрывается за счет применения широкоугольных объективов, при этом линейные размеры человека (а именно он в охранном телевидении является интересующим нас объектом) на экране монитора измеряются миллиметрами. Для решения задачи опознавания людей, автомобилей и других специфических объектов, необходимо обеспечить высокую разрешающую способность видеосистемы. На разрешающей способности мы остановимся ниже, а сейчас еще раз отметим, что только в системе с полосой пропускания не менее 6МГц можно обеспечить потенциально высокое разрешение. При наличии определенного опыта оценить качество видеосигнала можно и с помощью осциллографа. Для этого надо представлять, как влияют частотные искажения на форму строчных синхроимпульсов.