Лекции 9 и 10. Измерение характеристик канала изображения

Литература: Кривошеев М.И. Основы телевизионных измерений. –М.: Радио и связь, 1989. –608с.

Линейные искажения характеризуют комплексным коэффициентом передачи и оценивают по амплитудно– ( ) и фазочастотным ( ) или по переходным характеристикам. Искажения амплитудно–частотной характеристики (АЧХ) – это отклонения зависимости от прямой линии, а искажения фазочастотной характеристики (ФЧХ) – это отклонения графика от линейно растущей функции. Если нелинейна АЧХ – нарушается соотношение между амплитудами различных гармоник, а если нелинейна ФЧХ – различные гармоники задерживаются на различное время. Фазовый сдвиг характеризуется параметром (соответствующим тангенсу угла наклона ФЧХ), называемым временем распространения фазы , а его зависимость от частоты – характеристикой времени распространения или запаздывания фазы. Однако измерения ФЧХ и времени запаздывания фазы требуют сравнения фаз на входе и выходе, что иногда затруднительно, поэтому на практике пользуются характеристикой группового времени запаздывания (ГВЗ), определяемой как . Для измерения АЧХ и ФЧХ искажений используется преимущественно частотный (гармонический) метод оценки, применяемый в распространенных панорамных измерителях АЧХ и ГВЗ, см. рис. Однако использование таких приборов не позволяет адекватно предсказать ожидаемые временные искажения передаваемого сигнала. Применение импульсного (временного) метода оценки таких искажений основано на оценке реакции канала на единичный скачок напряжения. Переходная характеристика однозначно, через импульсную характеристику, связана с комплексным коэффициентом передачи с помощью преобразований Фурье. Для оценки таких искажений используют широкополосный осциллограф, позволяющий оценить время нарастания сигнала (от 10% до 90% уровня), степень искажений плоской (пологой) части импульса, уровень выбросов и скорость затухания переходного колебательного процесса, а также измерительные импульсы (вырабатываемые генератором), обладающие спектром, соответствующим рабочей полосе пропускания канала. В связи с тем, что проявление линейных искажений на изображении зависят от их длительности импульсные характеристики измеряют в разных областях времен: очень больших, больших, средних и малых, с учетом соотношений и различий между передаваемыми одновременно сигналами яркости и цветности. Отметим, что искажения АЧХ и ФЧХ также могут возникать из-за плохого согласования соединительных кабелей со входом и выходом ТВ аппаратуры, которое оценивается затуханием несогласованности относительно номинального значения Z₀. При использовании импульсных методов , где А1 и А2 – размахи исходного и отраженного сигналов. Схема измерения затухания несогласованности и АЧХ на рис. При измерении затухания несогласованности в схеме моста R1, R2, R3, Z (R1=R2=R3=R₀), измеряется отношение напряжения на R2 (переключатель в нижнем положении) к напряжению в диагонали моста (переключатель в верхнем положении). При этом, при логарифмической шкале напряжений, .

Измерение ГВЗ возможно несколькими методами (временного и частотного объединения с опорным сигналом, использования узкополосного фильтра и ФАПЧ, применения частотного детектирования с интегрированием огибающей), среди которых широкое применение получили методы на основе ФАПЧ, см. рис.

В передающей части измерителя ГВЗ испытательный сигнал формируют с помощью генератора качающейся частоты. В приемной части генератор опорной фазы, аналогичный генератору огибающей, управляется с помощью сигнала с выхода фазового детектора и ФНЧ (во избежание демодуляции). Среднее значение напряжения на индикаторе, полученное на качающейся и фиксированных частотах служит мерой разности ГВЗ.

Переходные искажения измеряют с помощью генератора прямоугольных импульсов (стандартных ТВ измерительных сигналов) и широкополосного осциллографа. Однако при этом учитывают, что длительность фронта переходной характеристики проверяемого канала связана с длительностью фронта переходной характеристики осциллографа и длительностью фронта, измеренной на экране осциллографа как . Отношение характеризует погрешность измерения, так при этом отношении, равном 1, погрешность составляет примерно 40%, а при вносимая ошибка не более 3% и ею обычно пренебрегают. Наличие искажений определяется по трафаретам предельных значений искажений, см. рис. ниже. Искажения в области больших времен оценивают по неравномерности плоской части видео импульсов как (U_A – амплитуда тестового сигнала), а в области средних времен как (U_Y – амплитуда эталонного импульса белого), характеризующая тянущиеся продолжения среза. В области малых времен искажения преимущественно оцениваются с помощью sin² импульса.

Допустимые искажения синусквадратичного импульса также могут определятся по трафарету (T – ширина исходного импульса на половине его амплитуды) или по форме получаемого сигнала, см. рис., как относительное отклонение размаха sin² импульса: , где U_Y – амплитуда исходного sin² импульса, равная амплитуде эталонного импульса белого или по как относительные размахи выбросов по краям (оценивается максимальные положительный и отрицательный выбросы): и . Ряд особенностей sin² импульсов (форма импульсов при 2Т=1/f_гр близка к характеристике плотности апертуры считывающего луча ТВ передающей трубки и форме ТВ сигнала одного элемента разложения) позволяют успешно оценивать по его искажениям искажения формы ТВ сигналов одиночных деталей изображения (уменьшение амплитуды – снижение контрастности, увеличение длительности – появление "размытости" или снижение четкости изображения). Использование двух видов таких импульсов доставляет в определенной степени неудобство, однако на практике чаще используют сложные синусквадратичные импульсы, дополнительно позволяющие оценить взаимные искажения каналов яркости и цветности, см. рис. огибающих откликов такого импульса при: 1) спаде АЧХ, 2) подъеме АЧХ, 3) опережении сигналом яркости сигнала цветности или при дополнительном изменении АЧХ (меняется еще и амплитуда), 4) опережении сигналом цветности сигнала яркости или при дополнительном изменении АЧХ (меняется еще и амплитуда).

Нелинейные искажения возникают из-за нелинейных используемых свойств усилителей и преобразователей ТВ сигнала. Среди них различают статические (не зависящие от частоты сигнала) и динамические (зависящие от частоты сигнала) нелинейные искажения. Статические характеризуют качество воспроизведения градаций яркости и цвета крупных участков, а динамические – качество воспроизведения мелких элементов изображения и сигнала цветности. Оценивают такие искажения по форме амплитудной характеристики: . Нелинейность ТВ канала также оценивают по изменению отношения или производных (крутизне). Как правило для измерения амплитудной характеристики используют пилообразный или ступенчатый (с равными ступенями) сигналы. Наличие нелинейности приводит к искажению идеальной формы такого сигнала, а по степени отличия оценивают величину нелинейных искажений. Для измерения изменения крутизны амплитудной характеристики ( или ) в канале яркости на пилообразный (ступенчатый) сигнал накладывают серию синусоидальных колебаний, а нелинейность оценивают на выходе по изменению формы выделенной фильтром (обычно встроенным в ТВ осциллограф) серии синусоидальных колебаний.

Наличие таких искажений в канале яркости приводит к изменению амплитудных и фазовых искажений в канале цветности, что связано со спецификой одновременной передачи сигналов яркости и цветности в ТВ тракте. Поэтому нежелательное изменение размаха сигнала цветности при изменении размаха сигнала яркости называют дифференциальным усилением, а нежелательное изменение фазы (фазового сдвига) сигнала цветности – дифференциальной фазой.

Так при использовании пятиступенчатого сигнала для канала яркости (ГОСТ 18471–83) нелинейность канала яркости оценивается как , где u_макс и u_мин – максимальная и минимальная амплитуда ступенек. При оценке дифференциальных искажений используют пятиступенчатый сигнал с наложенным синусоидальным колебанием 4.43 МГц без изменения фазы насадки и трехступенчатый сигнал цветовой поднесущей. Дифференциальное усиление, см. рис., оценивается как , где , а , где U_о, U_макс, U_мин – размахи цветовой поднесущей (на выходе полосового фильтра осциллографа) уровней гашения, наибольшего и наименьшего значения. Часто т.н. суммарное значение дифференциального усиления оценивается по формуле . Кроме специального ТВ осциллографа измерять дифференциальные искажения можно с помощью вектороскопа (осциллограф в векторном X–Y режиме со специальным трафаретом допустимых искажений) и автоматических микропроцессорных измерителях (осуществляющих по заданному алгоритму поиск сигнала, выделение первичных параметров и расчет итогового значения). Дифференциальная фаза оценивается как , где значения фазы оцениваются путем выделения квадратурных составляющих поднесущей (на экране вектороскопа) или с помощью частотного (фазового) детектирования. При частотном детектировании выделяется мгновенное значение частоты, а при фазовом – результат сравнения с опорным сигналом, в качестве которого используется поднесущая выделенная из состава измерительного сигнала или сформированная самостоятельно.

Вопросы для самопроверки по курсу

1. Как измерения в телекоммуникационных системах связаны с качеством предоставляемых услуг связи

2. Какие характеристики используются для оценки работы цифр. транспортных сетей

3. Какие характеристики используются для оценки работы кабельных линий и систем

4. Какие характеристики используются для оценки работы радиочастотных систем

5. Какие характеристики используются для оценки работы телефонных сетей общего пользования

6. Расскажите про использование стандартных тестовых последовательностей для измерения показателей ошибок в цифровых каналах связи

7. Расскажите про измерение показателей ошибок без отключения каналов связи

8. Расскажите о требованиях к основным режимам работы (по синхронизации) цифровых транспортных сетей

9. Какие параметры используют для оценки стабильности используемых задающих генераторов синхронизируемых цифровых сетей

10. Что такое джиттер и как он измеряется

11. Что такое вандер и как он измеряется

12. Какие характеристики используются для оценки работы УКВ ЧМ радиостанций

13. Приведите схему и поясните порядок измерения основн. характеристик передатчика

14. Что такое и как измеряется чувствительность (при SINAD 12 дБ)

15. Что такое и как измеряется избирательность по соседнему каналу

16. Приведите схему и поясните порядок измерения основн. характеристик приемника

17. Что относится к основным контролируемым параметрам земных станций спутниковой связи с малой апертурой (VSAT) и станций спутникового сбора новостей (SNG)

18. Приведите и поясните схему измерения побочных излучений

19. Приведите и поясните схему измерения ЭИИМ (эквивалентной изотропно излучаемой мощности)

20. Как проводятся испытания функций управления земных станций спутниковой связи

21. Приведите и поясните схему радиоиспытаний земных станций подвижной спутниковой службы

22. Какие показатели канала звука ТВ и УКВ ЧМ/ФМ передатчиков используются для оценки их работы

23. Как измеряется защищенность от интегральной помехи

24. Что такое и как измеряется ПАМ и СПАМ

25. Структурная схема и работа измерителя девиации частоты

26. Структурная схема и работа измерителя коэффициента нелинейных искажений

27. Какие виды измерений и как часто проводят при обслуживании радиотелевизионных передающих станций

28. Какие измерительные сигналы могут использоваться для контроля в процессе передачи. Что они позволяют оценить

29. Что такое ГВЗ (групповое время запаздывания) и как оно измеряется

30. Как измеряется АЧХ и ФЧХ канала изображения

31. Что такое затухание несогласованности и как оно измеряется

32. Как измеряются и что характеризуют переходные искажения телевизионного тракта

33. Какие нелинейные искажения различают в телевизионном тракте. Что они характеризуют

34. Что характеризует и как измеряется дифференциальное усиление

35. Что характеризует и как измеряется дифференциальная фаза