WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АНАЛОГОВАЯ ВИДЕОЗАПИСЬ Часть I Учебное пособие по специальности «Радиофизика» (511500) ВОРОНЕЖ 2003 2 Утверждено научно-методическим советом физического факультета протокол № от 2003 года Составители: Кошелев А.Г., Бобрешов А.М., Воробьев А.М.

Учебное пособие подготовлено на кафедре электроники физического факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для магистров и студентов 5 и 6 курсов дневного и вечернего обучения.

3 СОДЕРЖАНИЕ Введение…………………………………………………………………4 1. Обработка сигналов в видеомагнитофонах…………….………. … 7 1.1.Частотная модуляция……….………………………….…..………. 7 1.2.Влияние ограничения полосы пропускания и АЧХ канала… ……9 1.3. «Отраженная» боковая полоса………………………………..…...13 1.4. Нелинейные искажения ……………………….……………….. …13 1.5. Отношение сигнал /шум……………………………………………17 1.6. Частотная модуляция телевизионным (ТВ) сигналом…….. …….19 1.7. ЧМ канал……………...……………………………………… ……..24 Литература………………………………………………………………...34 4 Введение Аналоговый телевизионный сигнал представляет собой сложный электрический сигнал, для передачи формы которого канал записивоспроизведения должен обладать определенными свойствами, которые оцениваются многими параметрами. К ним относятся амплитудно-частотная и импульсная характеристики, дифференциальные искажения и др. Аналогичные требования предъявляются к аппаратуре магнитной видеозаписи как части телевизионного канала. Эти требования распространяются на выходные параметры видеомагнитофона, который включает в себя канал магнитной записи-воспроизведения и сложную электронную систему преобразования сигнала при записи-воспроизведении.

Свойства канала магнитной записи-воспроизведения оказывают решающее влияние на большинство параметров видеомагнитофона. Требования к нему следуют из свойств телевизионного сигнала, среди которых наиболее важное значение имеют высокая верхняя его частота и широкий частотный диапазон.

Для любого сигнала, а для телевизионного особенно, важно сохранить в процессе записи-воспроизведения временные соотношения, существовавшие в исходном сигнале. Временные нарушения сигнала, как известно, ведут к геометрическим искажениям телевизионного изображения. Наконец, канал магнитной записи должен обеспечить необходимое превышение сигнала над шумами. Отмеченные выше свойства телевизионного сигнала определяют основные требования к каналу магнитной записи, к режиму записи, параметрам магнитной ленты и головок видеозаписи, значению относительной скорости между ними и ее стабильности.

Частотная характеристика магнитной записи ограничивается в нижней и верхней ее части различного рода потерями. Основными потерями в области нижних и верхних частот являются так называемые волновые потери, зависящие от длины волны записанного сигнала. В области высоких частот на частотную характеристику влияния оказывают также частотные потери. Этот вид потерь обусловлен рассеянием электрической энергии в магнитных и электрических цепях головок записи-воспроизведения. В диапазоне видеочастот эти потери составляют ощутимую величину, поэтому в головках видеозаписи большое внимание уделяют их уменьшению.

Волновые потери сопутствуют преобразованиям сигнала в процессе записи и воспроизведения этого сигнала. Во время записи электрический сигнал, представляющий собой временную функцию напряжения или тока, превращается в пространственную последовательность соответствующим образом намагниченных участков магнитной ленты. Длина волны записи синусоидальных колебаний частоты f на сигналограмме равна = v/f, если скорость движения ленты v. Волновые потери записи зависят от целого ряда факторов, в первую очередь, от магнитных и физико-механических свойств магнитной ленты, конструктивных и электрических параметров записывающей головки, а также способа записи. Физическая сущность волновых потерь записи и воспроизведения подробно рассматриваются в специальной литературе, посвященной магнитной записи [1].

В области длин волн, соизмеримых с размерами сердечника, магнитный поток в сердечнике головки определяется не только намагниченным участком ленты, находящимся непосредственно у рабочего зазора, но и смежными с ним участками. В зависимости от соотношения длины волны записи и размеров сердечника магнитные потоки от смежных участков могут складываться или вычитаться из основного потока. Результирующий поток вследствие этого принимает волнистый характер. Магнитный поток сигналограммы в области длин волн, превышающих протяженность сердечника, не замыкается полностью через него, а частично рассеивается в окружающем пространстве.

Чем больше длина волны записи, тем меньшая часть потока сигналограммы замыкается через сердечник. Соответственно частотная характеристика воспроизведения приобретает волнистый характер. Магнитный поток сигналограммы в области длин волн, превышающих протяженность сердечника, не замыкается полностью через него, а частично рассеивается в окружающем пространстве. Чем больше длина волны записи, тем меньшая часть потока сигналограммы замыкается через сердечник. Соответственно частотная характеристика воспроизведения приобретает волнистый характер, а по мере увеличения длины волны записи резко спадает до нуля.

Строчный способ записи с вращающимися головками решает проблему верхних частот телевизионного сигнала, но вместе с тем существуют проблемы с низкочастотной частью этого сигнала. Нижняя граница полосы пропускания сквозного канала магнитной записи ограничивается упомянутыми выше волновыми потерями в области больших длин волн записи. Если предположить, что при записи телевизионного сигнала верхней его частоте 6 МГц соответствует длина волны записи 3 мкм, то для частоты полей разложения (50 Гц) длина волны записи будет равна 400 мм, это примерно на два порядка больше размеров головки и длины контакта ее рабочей поверхности с лентой. На этой частоте и близкой к ней э.д.с. воспроизводящей головки практически полностью маскируется шумами. По этим причинам при прямой записи телевизионного сигнала его низкочастотная часть ограничивается частотой, лежащей выше некоторой частоты, определяемой этим видом волновых потерь. При воспроизведении записи составляющие сигналы, лежащие ниже этой частоты, восстанавливаются известным в телевидении способом.



В модуляционном способе записи, применяемом в современных аналоговых видеомагнитофонах, весь спектр телевизионного сигнала перед записью переносится в область более высоких частот, а при воспроизведении восстанавливается первоначальная форма спектра [2]. Модуляционный способ записи решает не только проблему воспроизведения низкочастотной части телевизионного сигнала, но и дает некоторые дополнительные преимущества.

Известно, что вследствие влияния соседних дорожек воспроизводящая головка, хотя и с большим ослаблением, воспроизводит информацию, записанную на соседней дорожке. Переходная помеха тем сильнее, чем больше длина волны сигнала, записанного на соседних дорожках. Перенос спектра сигнала в область высоких частот приводит к уменьшению длины волны записи. Это, в свою очередь, дает возможность сблизить между собой соседние дорожки записи и в конечном счете использовать поверхность ленты.

В аналоговой видеозаписи применяют преимущественно способ частотной модуляции [2,3]. Достоинство его состоит в том, что амплитудным ограничением можно подавить в воспроизводимом сигнале паразитную амплитудную модуляцию, возникающую из-за неоднородности свойств рабочего слоя ленты или нарушения контакта между головками и лентой при записи и воспроизведении. Паразитная амплитудная модуляция особенно нежелательна в области нижних частот, где она вызывает неприятное для зрителей мерцание воспроизводимого изображения.

Рассмотрим подробнее особенности обработки аналогового телевизионного сигнала в устройствах видеозаписи.

1. ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В ВИДЕОМАГНИТОФОНАХ 1.1.Частотная модуляция Параметры частотной модуляции (ЧМ), принятой в видеомагнитофонах, несколько отличаются от параметров традиционных ЧМ систем связи; поэтому считаем целесообразным остановиться на кратком описании ЧМ системы видеозаписи.

Пусть fн — несущая частота, fм — частота синусоидального модулирующего сигнала и fD — девиация частоты. Предположив, что модуляция линейна, получим мгновенное значение частоты:

fмг = fн + fDcos t (1) м и напряжения:

u = uнcos2fмгdt (2) Поскольку, однако, 2fмг=мг=d/dt, т.е.

(t ) = (t)dt. (3) мг Следовательно, (t ) = t + fD/fмsin t. (4) н м Используя выражение (4), уравнение (2) можно записать в следующем виде:

u = uнcos( t + msin t), (5) н м где m = fD/fм (6) называется индексом модуляции.

Выражение (5) может служить хорошей основой для векторного представления частотно-модулированного сигнала (рис.1). Вектор несущей частоты колеблется относительно вертикального положения с периодом модулирующего сигнала. Угол отклонения +_ m (индекс модуляции) задается в градусах или радианах. Следует отметить, что между составляющими fD cos в (1) m sin в (5) имеется сдвиг по фазе на /2. Следовательно, м мгновенное значение частоты в крайних положениях колеблющегося вектора совпадает с несущей частотой, в то время как в главном положении (т. е. в вертикальном ) изменение частоты совпадает сдевиацией.

На основании (5) можно записать и спектр частотно-модулированного сигнала. С помощью тригонометрических преобразований и соотношений н uн m -m Рис.1.Векторное представление ЧМ-сигнала сos sin( tm ) J (m) += 2 (m)cos2n мt, м J20 n n= sin( sin tm ) 2 1) мt м J (m)sin(2n -= n-n=получим uu J (/ m)cos t += нн J (m){cos[ + 2n ]t + cos[ 20 n мн н n= ]2 tn } +- (m){cos[ + (2n -1) ]t - cos[ - (2n -1) ]t}, (7) м J n-12 мн н м n= где Jk (m)- функция Бесселя -гo порядка (в табл. 1 приведены приближенные формулы для расчета первых пяти функций Бесселя). На рис.2 показаны спектры частотно-модулированного сигнала в зависимости от индекса модуляции: а — увеличивающаяся девиация частоты и постоянная частота модулирующего сигнала; б — постоянная девиация частоты и уменьшающаяся частота модулирующего сигнала. Жирными линиями отмечен размах мгновенной частоты (удвоенная девиация). Интересно отметить, что с увеличением индекса модуляции в спектре ЧМ сигнала содержится больше составляющих с амплитудой выше среднего уровня внутри частотного диапазона, ограниченного удвоенной девиацией. Наоборот, в случае малого индекса модуляции спектр сигнала значительно шире диапазона изменения мгновенной частоты, а сигнал содержит только несколько спектральных составляющих, амплитуда которых больше среднего уровня.

Именно последний случай отвечает условиям магнитной записи телевизионных сигналов. Таким образом, для видеозаписи используется система частотной модуляции с малым индексом модуляции. Другим важным параметром системы является соизмеримость верхней граничной частоты модулирующего сигнала снесущей частотой.

Таблица 1.Приближенные формулы для расчетов функций Бесселя Если х то:2 x2 xx xx J 1- (, xJ ) 1( - ), (xJ ) 1( - ), (0 x) 1 4 2 8 8 23 24 xx xx xx xJ )( 1( - ), (xJ ) 1( - ), (xJ ) 1( - ).





3 4 48 16 384 20 3840 Полный..ряд x -1( )k x Jn =( )n ( /)2k 2 /(nk + k)/ k= Рис.2. Спектры ЧМ-сигнала в зависимости от индекса модуляции 1.2.Влияние ограничения полосы пропускания и амплитудно-частотной характеристики канала Влияние параметров канала на качество передачи при частотной модуляции аналитически почти невозможно исследовать, а если и возможно, то только исключительно сложным путем. Поэтому ниже будут даны не строгие выкладки, а качественный анализ, который с достаточной степенью точности позволит описать систему и сделать правильные выводы.

Наши рассуждения базируются на векторном представлении сигнала, при котором легко можно проследить влияние компонент спектра боковых полос.

Кроме того, в выражении (1) или (2) начальную фазу' или модулирующего сигнала, или несущей частоты можно задать, например, в виде u= uн cos(2fмгdt + ).

В выражении (7) это найдет отражение в том, что вместо н t для каждой составляющей следует писать н t +. Выберем теперь t и таким образом, чтобы =.

=+,...0 tt n м Легко заметить, что в данный момент времени t пары боковых частот (одинакового порядка) имеют соответственно фазы /2, 2 ( /2), 3 ( /2)... Это означает, что результирующий вектор боковых частот первого порядка перпендикулярен вектору н, а сами векторы боковых частот вращаются со скоростью ±. Результирующий вектор боковых частот второго порядка M направлен в сторону, противоположную вектору н, а сами векторы (рис.3) боковых частот вращаются с угловой скоростью ± 2 м и т. д. Влияние ограничения полосы пропускания легко прослеживается по векторным диаграммам.

- м + м н 2 м м Рис.3.Векторная диаграмма результирующего вектора боковых частот - м - м м м - м м н н а) б) - - м м м м н н в) г) Рис.4. Влияние ограничения ширины полос пропускания канала: а - передача только первых верхней и нижней боковых частот (конец вектора н перемещается по прямой линии, поэтому его длина изменяется, т.е. возникает амплитудная модуляция); б - влияние вторых боковых частот на амплитудную модуляцию; в - влияние уменьшения составляющей верхней боковой частоты на изменение амплитуды (конец вектора перемещается по эллипсу, амплитудная модуляция увеличивается); г – влияние фазовых искажений).

На рис. 4а показана диаграмма, полученная при передаче боковых частот первого порядка. Видно, что вследствие ограничения полосы пропускания возникает амплитудная модуляция, поскольку конец вектора н перемещается не по дуге, а по прямой линии и его длина изменяется. Из рисунка видно, что при малом значении m, если J0 (m) 1 и если пренебречь разностью длины дуги и прямой линии, между индексом модуляции и амплитудой двух составляющих первого порядка будет существовать простая зависимость, что подтверждается данными табл. 1.

Jm (2 m) = 2 / u11 ( +, ) / мн uн m ет... (mJ ), (8) Составляющие второго порядка (рис. 4б) уменьшают амплитудную модуляцию, поскольку, как было показано, векторы, вращаясь со скоростью ±2м, в значительной степени компенсируют изменения длины результирующего вектора. Поэтому траектория движения результирующего вектора ближе к дуге, чем в предыдущем случае.

Вернемся вновь к рис. 4а, на котором представлены составляющие первого порядка. Пусть теперь АЧХ передающего тракта обеспечивает уменьшение амплитуды только одной составляющей (рис. 4б) без изменения ее фазы.

Видно, что это приводит к увеличению амплитудной модуляции и уменьшению индекса модуляции т, но не вызывает фазовых искажений. Если одна боковая полоса полностью исчезнет, то в соответствии с принятым допущением (8) индекс модуляции уменьшится вдвое, т. е.

Jm m)( = u11 /u (9) и, таким образом, амплитуда демодулированного сигнала уменьшится на 6 дБ.

Однако влияние уменьшения амплитуды одной составляющей можно скомпенсировать за счет составляющего увеличения амплитуды другой. В [3] показано, что если АЧХ системы имеет вид uвых )( += LK, (10) uвх )( где К и L — натуральные числа и /L / > 0, и если частота, при которой = вых () /вх () 0, не попадает в диапазон н ± д, то такая система полностью аналогична системе с равномерной амплитудно-частотной характеристикой (L =0) и обеспечивает передачу без искажений.

Данная особенность ЧМ сигнала может быть использована для улучшения качества записи-воспроизведения. Если спектр шума системы передачи, например, на верхней боковой полосе интенсивнее, чем на нижней, то целесообразно нижние составляющие усилить, а верхние ослабить, используя фильтр с линейно спадающей частотной характеристикой. Отметим, что результаты относятся к системам снеограниченной полосой. В системах сограниченной полосой АЧХ вида (10) вызывает нелинейные искажения [2].

Если фазочастотная характеристика канала постоянна (не зависит от частоты) или линейна при изменении частоты (групповое время запаздывания постоянно), то никаких искажений в демодулированном сигнале не происходит. На векторной диаграмме пропорциональность фазового сдвига частоте означает, что, например, вектор составляющей н - n м отстает относительно вектора несущей н на столько, на сколько н + n м ее опережает. Таким образом, результирующий вектор не изменяется. Нелинейность фазочастотной характеристики (рис.4, г) искажает векторную диаграмму: конец результирующего вектора перемещается не по перпендикулярному, а по наклонному к вектору несущей н отрезку. Из-за чего увеличивается амплитудная модуляция, а в демодулированном сигнале появляются фазовые и нелинейные искажения.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.