АДАПТИВНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАСЫЩЕННОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
А. ПАХОМОВ, г. Зерноград Ростовской обл.
Многие владельцы телевизоров, наверное, замечали, что при ослаблении телевизионного сигнала начинает пропадать цвет на экране. В такие моменты на изображении очень сильно проявляются цветовые шумы. Если вручную уменьшить насыщенность, то заметность шумов снижается. Автор публикуемой статьи исследовал эту проблему и предлагает дополнить телевизор автоматическим регулятором насыщенности, который все сделает без участия телезрителя.
Качество телевизионного изображения во многом зависит от соотношения уровня получаемого сигнала и эффективного напряжения шумов. В сквозном телевизионном тракте имеются четыре основных источника шумов: передающая камера, видеозапись, линии связи и приемник [1]. Шумовые помехи камеры всегда присутствуют в формируемом видеосигнале, но они относительно невелики (около 5 %). Шумы, возникающие по вине остальных звеньев тракта, добавляются уже к полному телевизионному сигналу, определяя конечное качество изображения. Телезрителю доступно лишь последнее звено, на котором и остановимся подробнее.
В телевизоре собственные, так называемые гладкие шумы неизбежно возникают в усилительно-преобразовательных каскадах вследствие теплового движения электронов. Гладкие шумы имеют равномерно-непрерывный, но ограниченный частотный спектр. Визуально они проявляются в виде характерных шумовых помех ("снега"), ухудшающих качество изображения по мере снижения отношения сигнал/шум (ОСШ).
Наиболее зависимо от ОСШ цветное изображение. Дело в том, что на нем появляются особые, цветовые шумы, обусловленные как способом передачи цветовой информации в комплексном телевизионном сигнале, так и обработкой ее в канале цветности. Подробный анализ прохождения шумовых помех через декодер SECAM проведен в [1]. Расчетным путем там показано, что только процессы кодирования-декодирования в системе SECAM приводят к увеличению уровня гладких помех в 1,3 раза. К этому еще добавляются собственные шумы канала цветности. В результате демодуляции и интегрирования фильтрами НЧ коррекции помехи на выходе канала цветности проявляются на экране в виде крупных размытых горизонтальных штрихов. Наибольшая доля помех поступает в "синий" результирующий сигнал, наименьшая - в "зеленый", что определяет характерную сине-красную окраску штрихов.
Заметность цветовых шумов велика, поэтому при уменьшении уровня полезного сигнала они и появляются на экране. Просмотр зашумленного изображения утомляет и вреден для зрения. По сведениям в [1, 2] для получения цветного изображения отличного качества ОСШ (по взвешенным шумам) должно быть более 40 дБ, хорошего - 35...40 дБ, удовлетворительного - не менее 25 дБ.
Добиться необходимого ОСШ можно, либо увеличив уровень входного сигнала использованием эффективных антенн и антенных усилителей, либо уменьшив уровень собственных шумов телевизора, например, заменой селектора каналов. Однако цветовые шумы зависят еще и от коэффициента передачи цветоразностных сигналов Кцв, переносящих эти шумы в цветовые сигналы R, G, В. В существующих блоках цветности предусмотрена электронная регулировка коэффициента передачи Кцв в широких пределах изменением насыщенности цветного изображения.
Для борьбы с цветовыми шумами в современных телевизорах применяют автоматический выключатель цвета (АВЦ). Он уменьшает коэффициент передачи Кцв до нуля (т. е. выключает блок цветности) при уменьшении уровня сигнала ниже некоторого порогового значения или отсутствии специальных сигналов цветности в ПЦТВ [3]. При этом изображение становится черно-белым, хотя и вполне удовлетворительного качества (без цветовых шумов).
Недостатком АВЦ можно назвать его работу по принципу "все или ничего". Как правило, его настраивают на минимальный уровень сигналов цветности, и он не выключает цвет даже при недопустимом ухудшении качества изображения. Можно, конечно, повысить порог срабатывания, например, небольшой расстройкой контура цветовой синхронизации, но основной недостаток системы (ступенчатость работы) останется.
В то же время существует множество промежуточных режимов, когда достаточно не полностью, а лишь частично закрыть цветоразностные каналы, уменьшив тем самым их шумы и получив хотя и менее насыщенное, но вполне удовлетворительное цветное изображение. На практике это знакомо всем телезрителям: снижением насыщенности изображения можно уменьшить заметность шумов на нем.
Однако делать это каждый раз при переходе с одной программы на другую вручную неудобно, особенно при большом различии принимаемых сигналов. Еще большая необходимость в подстройке изображения возникает при неуверенном приеме в условиях плохого прохождения радиоволн. Предлагаемый для применения регулятор автоматизирует этот процесс, адаптивно изменяя насыщенность изображения.
Для работы такого регулятора было очень важно правильно выбрать управляющий сигнал. Так сразу же возникла мысль, использовать имеющееся напряжение АРУ, отслеживающее входной сигнал. Но оно не зависит от цветовой информации и одинаково реагирует на любые изменения сигнала на антенном входе независимо от того, цветного он или черно-белого изображения.
Специальные импульсы опознавания передают в ПЦТВ стандарта SECAM как построчно (так называемые "вспышки") на задней площадке строчных гасящих импульсов, так и в течение девяти строк во время кадровых гасящих импульсов [1, 2]. Они обеспечивают работу и устройств цветовой синхронизации, и АВЦ. В настоящее время основным признан способ построчной синхронизации ("вспышками"), а от покадровой синхронизации постепенно отказываются [2]. Это означает, что при разработке новых устройств следует ориентироваться только на "вспышки". Их передают на частотах 4,25 и 4,406 МГц, соответствующих поднесущим цветности.
В декодерах SECAM входной контур коррекции высокочастотных предыскажений (КВП) выделяет из ПЦТВ сигнал цветности, содержащий обе поднесущие. КВП настроен на среднюю частоту 4,286 МГц и имеет колоколообразную АЧХ, что уменьшает уровень шумов предыдущего тракта примерно на 8 дБ [1, 2]. Выделенный сигнал цветности затем усиливается, ограничивается и преобразуется в цветоразностные сигналы.
Эксперименты показали, что при недостаточном его уровне резко возрастают видимые на экране цветовые шумы. Следовательно, этот сигнал можно использовать для адаптивной регулировки насыщенности.
Устройство, принципиальная схема которого представлена на рис. 1, собрано на микросхеме К174ХА10 (DA1), представляющей собой радиоприемный тракт АМ/ЧМ с вполне достаточными для обработки сигналов цветности граничными частотами: 12,5 МГц по ВЧ и 25 кГц по НЧ. Благодаря высокой степени интеграции микросхемы устройство получилось довольно простым. В микросхеме использованы УПЧ, детектор и усилитель НЧ. На входе регулятора включен контур КВП L1 С2 с частотой настройки 4,286 МГц. Применение собственного КВП обеспечивает независимость устройства от вариантов тракта цветности различных телевизоров. Импульсы с вывода 12 микросхемы поступают на выпрямитель, состоящий из элементов VD1, R8, С12, С13. Транзистор VT1 работает в режиме активного сопротивления. Вывод коллектора транзистора VT1 подключен к цепи Up (точка 3 устройства) электронной регулировки насыщенности. Например, в блоке цветности МЦ-3 это - контакт 2 соединителя Х5. В штатном режиме на этот же контакт подано напряжение с основного регулятора насыщенности - переменного резистора R1 блока управления БУ-4 [3].
Рис. 1
На вход устройства (точка 1) приходит ПЦТВ (например, с контакта 9 соединителя Х1 блока цветности МЦ-3), из которого КВП L1C2 выделяет сигнал цветности. Далее последний усиливается УПЧ микросхемы DA1 в линейном режиме. Система АРУ УПЧ не работает, так как к выводу 16 микросхемы подключен резистор R4. Импульсы цветности, прошедшие через детектор микросхемы на вывод 8, частично сглаживаются конденсатором С10 и через конденсатор С11 и подстроечный резистор R7 проходят на вывод 9 микросхемы (вход усилителя НЧ). На выводе 12 микросхемы импульсное напряжение имеет уже вполне достаточную амплитуду для работы диода VD1 в режиме, соответствующем линейному участку его характеристики. После выпрямления диодом и сглаживания фильтром R8C1-2C13 постоянное управляющее напряжение в отрицательной полярности подано на базу регулирующего транзистора VT1.
Режим работы транзистора задан делителем R9R10 так, что при отсутствии управляющего сигнала он полностью открыт и шунтирует цепь регулировки насыщенности, уменьшая регулирующее напряжение Up на выходе устройства до минимального уровня. Чем больший управляющий сигнал (отрицательной полярности) воздействует на базу транзистора, тем больше он закрывается и тем выше напряжение Up. В результате достигается пропорциональное регулирование, при котором максимальному сигналу цветности соответствует заданная максимальная насыщенность изображения. Ее задают основным регулятором R1 блока БУ-4 или через систему ДУ. Сам адаптивный регулятор работает лишь в сторону уменьшения насыщенности, выполняя функции "мягкого" выключателя цвета. Такое решение было вызвано стремлением сохранить ручную регулировку насыщенности, хотя адаптивный регулятор способен ее заменить.
Из других параметров устройства следует упомянуть угол наклона передаточной характеристики, который зависит от коэффициента усиления тракта. Его изменяют подстроечным резистором R7. Инерционность системы зависит от постоянных времени зарядки и разрядки интегрирующего конденсатора С13. Они выбраны из условия реагирования без заметной задержки на изменения сигнала цветности, например, при переключении программ.
Резистор R5 устройства снижает напряжение питания микросхемы DA1 до номинального (6 В). При этом потребляемый устройством ток равен примерно 20 мА. Конденсатор С12 фильтрует остатки высокочастотных составляющих в управляющем сигнале и предотвращает самовозбуждение устройства. Тумблером SA1 регулятор можно выключить. В результате он не потребляет ток и не оказывает никакого влияния на работу блока цветности.
Устройство собрано на печатной плате, изображенной на рис. 2, из односторонне фольгированного стеклотекстолита. В нем использованы постоянные резисторы МЛТ, подстроечные резисторы СПЗ-27, оксидные конденсаторы К50-35 или импортные и неполярные конденсаторы КМ. Микросхему К174ХА10 можно заменить импортным аналогом, например, TDA1083.
Puc.2
Катушка контура КВП с обмотками L1, L2 взята (готовая экранированная) из субмодуля цветности СМЦ-2, можно от СМЦ [З]. Намоточные данные для ее самостоятельного изготовления следующие. Обмотка L1 (выводы 3, 4) содержит 18 витков, обмотка L2 (выводы 1, 2) - 9 витков. Их наматывают проводом ПЭВ-2 0,14 на каркасе диаметром 6 мм с ферритовым подстроечником, L2 - поверх L1.
Готовое устройство (его внешний вид показан на рис. 3) крепят винтами-саморезами к боковой раме шасси рядом с блоком цветности и соединяют с ним гибкими проводами. Напряжение питания 12 В удобнее подать от блока управления. Выключатель SA1 устанавливают на лицевой панели телевизора.
Puc.3
Благодаря независимому тракту регулятор можно встроить практически в любой телевизор третьего-пятого поколений. Необходимо лишь по схеме телевизора найти сигнальные точки подключения. Для модуля МЦ-3 они уже были указаны. В телевизорах "Горизонт" с кассетами обработки сигналов КОС-402, КОС-406 видеосигнал снимают с контакта 13 соединителя Х8, а выход регулятора подключают к выводу 16 микросхемы К174ХА17. В телевизорах "Рубин" с блоками цветности МЦ-402, МЦ-403 это - контакт 1 соединителя Х3 и вывод 16 микросхемы К174ХАЗЗ (TDA3505) [З]. Напряжение питания 12В всегда присутствует как в блоках цветности, так и в блоках управления.
Устройство налаживают в режиме приема телесигналов. Предварительно ручку "Насыщенность" телевизора устанавливают в положение, близкое к максимальному уровню, или в то, при котором обычно смотрят уверенно принимаемые эфирные программы. Это положение желательно отметить. Затем включают телевизионный канал с максимальным уровнем приема и вращением подстроечника контура L1 С2 добиваются наибольшего по осциллографу размаха сигнала цветности на выводе 8 микросхемы DA1. Причем усилитель НЧ микросхемы не должен входить в режим ограничения. Для получения этого подключают осциллограф к выводу 12 микросхемы и подстроечным резистором R7 выставляют амплитуду импульсов чуть ниже порога ограничения.
Далее, регулируя подстроечный резистор R10, увеличивают постоянное напряжение на коллекторе транзистора VT1 до того момента, когда оно перестанет расти, что соответствует максимальной насыщенности изображения. При этом транзистор VT1 должен быть полностью закрыт и напряжение Up определяется только положением ручки регулировки насыщенности телевизора.
Затем переключают телевизор на канал с самым слабым сигналом и подстроечным резистором R11 устанавливают желаемое ослабление насыщенности по компромиссному между зашумленностью и окрашенностью качеству изображения. Критерием здесь может быть малая заметность шумовых штрихов с обычного расстояния просмотра.
Операции настройки резисторами R10 и R11 повторяют несколько раз (они взаимосвязаны), добиваясь приемлемого результата и на других каналах.
Иногда может возникнуть необходимость изменить крутизну регулировочной характеристики устройства. Поскольку коэффициент усиления тракта выбран с запасом, в сторону уменьшения это легко сделать подстроечным резистором R7. Если же все-таки потребуется повысить крутизну регулирования (что маловероятно), нужно увеличить напряжение питания микросхемы до 7...8 В подбором резистора R5. В любом случае затем следует вновь выполнить рассмотренные выше регулировки.
Правильно настроенный регулятор действует весьма эффективно, обеспечивая отсутствие цветовой "грязи" на экране практически при приеме любых телесигналов. Разумеется, наилучший результат достигается в отмеченном положении ручного регулятора насыщенности, поскольку в этом положении проводилась настройка всей системы. При включенном адаптивном регуляторе пользоваться ручной регулировкой насыщенности вообще не рекомендуется - необходимость в этом, как правило, не возникает.
ЛИТЕРАТУРА
1. Певзнер Б. М. Качество цветных телевизионных изображений. - М.: Связь, 1980.
2. Телевизионная техника. Справочник. Под общей редакцией Ю. Б. Зубарева и Г. Л. Глориозова. - М.: Радио и связь, 1994.
3. Ельяшкевич С. А., Пескин Д. Е. Телевизоры 3УСТЦ, 4УСТЦ, 5УСТЦ. Устройство, регулировка, ремонт. - М.: МП "Символ-Р", 1993.
Радио 3/2001 с.8-10.