Принцип формирования сигнала изображения цветного телевидения

Требования к системе цветного телевидения

Основными требованиями к системе цветного телевидения, предназначенной для телевизионного вещания, являются ее совместимость с системой черно-белого телевидения и высокое качество цветовоспроизведения. Сущность совместимости заключается в том, что черно-белые телевизионные приемники, наряду с передачами черно-белого телевидения, должны принимать и воспроизводить в черно-белом виде передачи цветного телевидения, а цветные телевизионные приемники кроме цветных передач должны принимать передачи черно-белого телевидения и воспроизводить их в черно-белом виде, причем никаких изменений в устройстве и эксплуатации тех и других приемников не должно быть.

Это значит, что параметры развертки и ширина частотного спектра сигналов изображения черно-белого и цветного телевидения должны быть одинаковыми. Кроме того, сигнал цветного телевидения наряду с информацией о цвете объектов должен содержать полную информацию об их яркости, т. е. иметь в своем составе сигнал черно-белого телевидения, называемый сигналом яркости.

Указанным требованиям удовлетворяют действующие в настоящее время три разновидности вещательных систем цветного телевидения: американская НТСК (NTSC — National Television Sistem Committee — Национальный комитет телевизионных систем), западногерманская ПАЛ (PAL — Phase Alternation Line — строки с переменной фазой) и советско-французская СЕКАМ (SECAM — Sequentiel couleur а memoire — последовательная цветная с памятью). Ниже рассматривается формирование сигнала изображения по системе CEKAM-III, применяемой с 1967 г. для цветного телевизионного вещания в нашей стране.

Сигнал яркости

В трехтрубочной передающей камере цветного телевидения формируются три первичных сигнала изображения, ЕR, ЕG, ЕB соответствующих красным, зеленым и синим составляющим цвета передаваемого объекта.

Первичные сигналы изображения широкополосные, однако, ни один из них не может быть использован в качестве сигнала черно-белого телевидения, так как не содержит полной информации о яркости объекта. Поэтому в системе цветного телевидения из трех первичных сигналов формируется четвертый — сигнал яркости ЕY, для чего первичные сигналы сначала балансируются, а затем матрицируются.

Балансировка состоит в уравнивании по размаху сигналов ЕR, ЕG и ЕB соответствующих передаче белого (серого) поля.
Матрицирование — это сложение сигналов в определенной пропорции. Матрицирование сбалансированных сигналов ЕR, ЕG и ЕB при формировании сигнала ЕY производится с учетом спектральной чувствительности зрения: ЕY = 0,30ER+ 0,59 ЕG + 0,11ЕB, где ЕR = ЕG = ЕB. Этот сигнал передается непрерывно на каждой строке развертки в полной полосе частот 6 МГц и позволяет воспроизводить нормальное черно-белое изображение на экранах черно-белых и цветных телевизоров.

Цветоразностные сигналы

Наличие сигнала яркости освобождает от необходимости передавать все три первичных сигнала изображения. Достаточно передавать любые два из них, а третий восстанавливать в приемнике путем вычитания переданных первичных сигналов из сигнала яркости. Эта операция также называется матрицированием, поскольку вычитание равнозначно сложению инвертированных, т. е. взятых в
противоположной полярности сигналов.

Во всех системах цветного телевидения принято передавать «красный» ЕR и «синий» ЕB первичные сигналы, полосу частот которых благодаря пониженной разрешающей способности зрения к синим и красным цветам удается сократить до 1...1,5 МГц.

«Зеленый» первичный сигнал восстанавливается в приемнике:
ЕG =(ЕY — 0,30ЕR — 0,11ЕB)/0,59.

Поскольку сигнал ЕY содержит полную информацию о яркости передаваемого объекта, из сигналов ЕR и ЕB эта информация исключается, и они передаются в виде цветоразностных сигналов:
ER-Y = ЕR — ЕY = 0,70ЕR — 0,59ЕG — О,11ЕB;
EB-Y = ЕB — ЕY = — 0,30ЕR — O,59ЕG +О,89ЕB;

Существенное достоинство цветоразностных сигналов состоит в том, что при передаче неокрашенных (белых и серых) участков изображения (когда ЕR = ЕG = ЕB) эти сигналы имеют нулевые значения (ER-Y = EB-Y = 0); при передаче слабоокрашенных (малонасыщенных) участков изображения (а их большинство) цветоразностные сигналы малы.

Таким образом, сигнал изображения цветного телевидения формируется из широкополосного сигнала яркости ЕY и двух узкополосных цветоразностных сигналов ER-Y и EB-Y.

Матрицирование

Матричная схема, предназначенная для получения этих сигналов, показана на рис. 1. Символом И обозначены инверторы, изменяющие полярность первичных сигналов на противоположную. Для выделения на нагрузках с сопротивлениями r4, r8 и r12 сигналов ЕY, ER-Y и EB-Y соответственно необходимо номиналы резисторов подобрать следующим образом:
r4 / (r1 + r4) = 0,30
r4 / (r2 + r4) = 0,59
r4 / (r3 + r4) = 0,11

r8 / (r5 + r8) = 0,70
r8 / (r6 + r8) = 0,59
r8 / (r7 + r8) = 0,11

r12 / (r9 + r12) = 0,30
r12 / (r10 + r12) = 0,59
r12 / (r11 + r12) = 0,89

В приемнике с помощью аналогичных матричных cxem сначала из сигналов ER-Y и EB-Y формируется цветоразностный сигнал EG-Y = -О,51ER-Y — О,19ЕB-Y, а затем из трех цветоразностных сигналов и сигнала яркости восстанавливаются три первичных сигнала изображения: ER = ER-Y — Е у; EG = EG-Y — ЕУ; EB = EB-Y — ЕУ, которые модулируют соответствующие электронные лучи цветного кинескопа.

Уплотнение спектра сигнала яркости

Сигнал яркости ЕУ, как было указано выше, занимает всю полосу частот (6 МГц), отведенную для передачи сигналов изображения. Поэтому для соблюдения принципа совместимости спектр сигнала яркости уплотняется, т. е. информация о цвете передается внутри этого спектра, путем введения в него поднесущих частот, модулированных цветоразностными сигналами.

В системе CEKAM-III применена частотная модуляция поднесущих.
В результате уплотнения спектра между сигналами яркости и цветности неминуемо возникают взаимные помехи, для ослабления которых применяется целый ряд специальных мер. Одна из них была рассмотрена выше — это передача информации о цвете узкополосными цветоразностными сигналами. Другая состоит в размещении частот поднесущих как можно ближе к верхней граничной частоте спектра сигнала яркости. Поскольку высшие частоты телевизионного сигнала соответствуют мелким деталям изображения, то эта мера сводит помеху от сигналов цветности на черно-белом изображении к малозаметной мелкоструктурной сетке.

Выбор частот поднесущих и передача цветоразностных сигналов

В системе СЕКАМ частоты поднесущих для передачи сигналов ER-Y и EB-Y выбраны соответственно: f0R = 4,40625 ≈ 4,406 МГц; f0B = 4,25 МГц.

Частотно-модулированные поднесущие f0R и f0B передаются не одновременно, а поочередно, через строку. Это значит, что в пределах каждой строки развертки передается сигнал яркости и только одна из частотно-модулированных поднесущих сигнала цветности — либо f0R, либо f0B (рис. 2).

Последовательная передача поднесущих позволяет почти вдвое (по сравнению с их одновременной передачей) сократить участок спектра сигнала яркости, уплотняемый сигналами цветности, что способствует значительному снижению уровня взаимных помех. Поскольку поднесущие частоты f0R и f0B передаются не одновременно, а поочередно, то усматривается целесообразность выбора для них единого значения частоты. Так, собственно, и было сделано в первоначальном варианте системы СЕКАМ. Однако опыт эксплуатации показал, что оптимальные условия помехозащищенности для «красного» и «синего» сигналов цветности неодинаковы. Поэтому в системе CEKAM-III частоты поднесущих f0R и f0B разнесены на 156 кГц (точнее, на 156,25 кГц).

Фаза (полярность) поднесущих от поля к полю и в каждой третьей строке развертки принудительно изменяется на 180°. При этом помеха (сетка) на черно-белом изображении становится то позитивной, то негативной и ее заметность резко снижается. Для дальнейшего повышения помехоустойчивости сигналов цветности и улучшения совместимости цветоразностные сигналы до модуляции поднесущих несколько преобразуются, причем полярность одного из них изменяется на противоположную.

Для модуляции поднесущей f0R используется цветоразностный сигнал DR= — 1,9ЕR-Y, а для модуляции поднесущей f0B: цветоразностный сигнал DB = 1,5ЕB-Y. Сигналы DR и DВ формируются в матричной схеме, наряду с сигналами ЕY, ER-Y и ЕB-Y.

Номинальные значения девиации частот поднесущих, определяемые размахами модулирующих сигналов в строках с сигналами DR и DB, составляют соответственно ±280 и ±230 кГц. При этом эффективная ширина спектра частотно-модулированных сигналов цветности не превышает 3,0 МГц (см. рис. 2).

Низкочастотные и высокочастотные предыскажения

Как и в любой системе с частотной модуляцией, модулирующие сигналы (в данном случае DR и DB) до модуляции подвергаются низкочастотным предыскажениям, т. е искусственному подъему уровня их высокочастотных составляющих по сравнению с уровнем низкочастотных. Такие предыскажения сигналов DR и DB способствуют повышению помехоустойчивости системы, однако в отдельные моменты времени (например, при передаче вертикальных цветовых переходов) приводят к значительному увеличению размахов сигналов изображения и девиации поднесущих.

Во избежание чрезмерного расширения спектра сигнала цветности в системе CEKAM-III установлены предельные значения девиации: 350 и -500 кГц в строке с сигналом DR; 500 и -350 кГц в строке с сигналом DB, превышение которых не допускается.

Еще одной мерой, направленной на повышение помехоустойчивости системы цветного телевидения и снижение заметности помехи от поднесущих на черно-белом изображении, является введение высокочастотных предыскажений, при которых каждый частотно-модулированный сигнал цветности пропускается через фильтр с амплитудно-частотной характеристикой, показанной на рис. 3.

В результате высокочастотных предыскажений размах сигнала цветности делается зависимым от девиации частоты: при малой девиации он уменьшается и на частоте 4286 кГц (лежащей между f0R и f0В) становится наименьшим (около 23% от размаха сигнала яркости); при увеличении девиации размах сигнала увеличивается и может достигать 50-70% от размаха сигнала яркости.

Понятие о задержке сигнала цветности

Основным недостатком системы CEKAM-III является отсутствие «синего» сигнала цветности в одной строке и «красного» — в соседней. Для компенсации этого недостатка в состав приемника цветного телевидения включается элемент памяти (линия задержки на длительность одной строки развертки), благодаря чему в каждой строке помимо сигнала яркости ЕY и переданного совместно с ним одного из сигналов цветности, например ЕR-Y одновременно появляется также второй сигнал цветности ЕB-Y, правда, повторяющий информацию о цвете предыдущей строки. Последнее обстоятельство, однако, не приводит к сколько-нибудь заметному снижению качества цветного изображения (по сравнению с системами HTCK и ПАЛ, где передача сигнала яркости и обоих сигналов цветности производится в каждой строке развертки), так как в силу ограниченной разрешающей способности зрения при 625-строчном разложении цвет двух соседних строк изображения воспринимается усредненным. На рис. 4 поясняется принцип задержки сигналов цветности (для четырех строк разложения).

Сигналы цветовой синхронизации

Для обработки частотно-модулированных сигналов в цветном телевизоре делается два отдельных канала: R-У и В-У. В канал R-У должен поступать только «красный» цветоразностный сигнал, причем в одной строке непосредственно (прямой сигнал), а в соседней строке с выхода линии задержки (задержанный сигнал). В таком же порядке, но только «синий» цветоразностный сигнал должен поступать в канал В-У. Необходимые для этого переключения входов каналов R-У и В-У от строки к строке осуществляет специальный электронный коммутатор. При нарушении правильной фазы коммутации сигналы цветности не будут попадать в «свои» каналы, что приведет к недопустимым искажениям цветов.

Для обеспечения корректировки фазы электронных коммутаторов всех цветных телевизоров в состав полного сигнала цветного телевидения системы CEKAM-III вводятся сигналы цветовой синхронизации, или, как их еще называют, сигналы опознавания цвета. Они передаются во время каждого кадрового гасящего импульса после кадровых синхронизирующих и уравнивающих импульсов и занимают интервал девяти последовательных строк, а именно: с 7-й по 15-ю в нечетном поле и с 320-й по 328-ю в четном поле развертки (рис. 5а).

Сигналы цветовой синхронизации представляют собой «пакеты» следующих через строку поднесущих с частотами f0R и f0В модулированных по частоте специально сформированными трапецеидальными импульсами цветовой синхронизации dR и dB (рис. 5б).

Длительность каждого импульса берется равной длительности строки TZ , а амплитуда устанавливается такой, чтобы в течение большей части строчного интервала (соответствующего действию вершины импульса) девиация поднесущей составляла 350 кГц. Поднесущая f0R модулируется импульсами цветовой синхронизации положительной полярности, а f0В — отрицательной полярности.
Таким образом, при передаче вершин импульсов dR девиация поднесущей ΔfR = 350 кГц, а при передаче вершин импульсов dB девиация поднесущей ΔfB = -350 кГц. В пределах длительности фронта и среза импульсов dR и dB девиации поднесущих плавно изменяются от 0 до +350 и -350 кГц соответственно. Спектр частот сигналов цветовой синхронизации занимает полосу 856 кГц:
от 4,25 — 0,35 = 3,9 МГц до 4,406 + 0,35 = 4,756 МГц.
Усеченная форма частотно-модулированных сигналов цветовой синхронизации и различие их размахов в «красной» и «синей» строках (см. рис. 5а) обусловлены действием фильтра высокочастотных предыскажений (размах сигналов на частотах, расположенных ближе к средней частоте настройки фильтра 4,286 МГЦ, ослабляется в большей степени, чем на частотах, отстоящих от нее дальше).

Кодирующее устройство

На рис. 6 показана упрощенная структурная схема устройства формирования полного телевизионного сигнала системы СЕКАМ, называемого кодирующим устройством. Рассмотрим процесс формирования сигнала на примере передачи изображения, представляющего собой последовательность восьми равных по ширине вертикальных полос, слева направо: белой (смесь цветов R, G, В), желтой (смесь цветов R и G), голубой (смесь цветов G и В), зеленой, пурпурной (смесь цветов R и В), красной, синей и черной (рис. 7а).

При передаче такого (как и любого другого) изображения на выходе передающей камеры формируются три первичных сигнала, ER, ЕG и ЕB (см. рис. 6), которые в предварительных усилителях сигналов изображения УСИ балансируются (т. е. для белой полосы устанавливается ER = EG = EB) , а затем в гамма-корректорах подвергаются нелинейным предыскажениям, предназначенным скомпенсировать нелинейность модуляционных характеристик электронных прожекторов приемных трубок.

После гамма-коррекции первичные сигналы принято обозначать штрихом: E'R, Е'G и Е'B. Формы этих сигналов в пределах активной части любой строки развертки показаны на рис. 7б, 7в, 7г. Единичный или нулевой уровень каждого сигнала определяется соответственно наличием или отсутствием основного цвета в составе цветной полосы изображения, что вполне согласуется с законами смешения цветов. Для белого цвета E'R = E'G = E'B = 1, для желтого цвета E'R = E'G = 1 и E'B = 0 и т. д.

Из первичных сигналов в матричной схеме М (см. рис. 6) формируются сигнал яркости

E'Y = 0,30E'R + 0,59E'G+O,11E'B;

и цветоразностные сигналы

E'R-Y = 0,70E'R — 0,59E'G — 0,11E'B
E'B-Y = -0,30E'R — 0,59E'G + 0,89E'B

которые затем преобразуются в сигналы

D'R = -1,9 E'R-Y
D'B = +1,5 E'B-Y.

Формы этих сигналов показаны на рис. 7д, е, ж и рис. 8а.

Их уровни для каждой цветной полосы изображения определены в соответствии с приведенными выше соотношениями. Например, для желтой полосы:

E'Y = O,30 · 1 + 0,59 · 1 — 0,11 · 0 = 0,89;
D'R = -1,9 · 0,11 ≈ -0,21;
E'R-Y = 0,70 · 1 — 0,59 · 1 — 0,11 · 0 = 0,11;
E'B-Y = -0,30 · 1 — 0,59 · 1 + 0,89 · 0 = -0,89;
D'B = 1,5 · (-0,89) ≈ -1,33.

Из рис. 7д видно, что взаимное расположение восьми цветных полос изображения подобрано по принципу убывающей (слева направо) яркости.

В фильтрах низкочастотных предыскажений ФНП (см. рис. 6) уровни высокочастотных составляющих сигналов D'R и D'B повышаются относительно уровней низкочастотных составляющих. В результате этого на крутых участках сигналов (цветовых переходах) появляются своеобразные выбросы напряжения, которые могут почти втрое превысить первоначальный уровень (рис. 8б). Для того чтобы девиация частот поднесущих не выходила за допустимые пределы (±350 кГц), сигналы D'R и D'B а также введенные в их состав на сумматорах С1 и С2 сигналы цветовой синхронизации dR и dB (см. рис. 6) до модуляции поднесущих ограничиваются в амплитудных ограничителях АО1 и АО2. Теперь модулирующие сигналы (D'R, D'B, dR, dB) через электронный коммутатор ЭК1 поступают на частотный модулятор ЧМ. Электронный коммутатор ЭК1 поочередно (через строку) пропускает к частотному модулятору сигналы либо D'R и dR, либо D'B и dB.

В такой же последовательности на частотный модулятор через электронный коммутатор ЭК2 подаются соответствующие поднесущие f0R или f0B. Далее через амплитудный ограничитель АОЗ, устраняющий возможную паразитную амплитудную модуляцию, частотно-модулированный сигнал цветности (рис. 8в) поступает в фазоинвертор (см. рис. 6) ФИ, который изменяет фазу сигнала на противоположную (на 180°) в каждом втором поле и каждой третьей строке развертки. С выхода электронного коммутатора ЭК3 фазоинвертора через фильтр высокочастотных предыскажений ФВП и цепь ПП, подавляющую поднесущую на участках передачи строчных и кадровых синхроимпульсов, сигнал цветности подается на сумматор С4 для сложения с сигналом яркости E'Y в состав которого на сумматоре СЗ предварительно введены гасящие и синхронизирующие импульсы.

В результате высокочастотных предыскажений размах сигналов цветности становится зависимым от частоты. Форма подвергнутых высокочастотным предыскажениям частотно-модулированных сигналов цветности для двух соседних строк развертки показана на рис. 8г. Здесь же видно образование в результате действия цепи ПП, свободного от поднесущей участка между строками, предназначенного для размещения строчного синхроимпульса.

Форма полного телевизионного сигнала в пределах двух соседних строк развертки, поступающего с сумматора С4 на модулятор передатчика, показана на рис. 8д. Она представляет собой ступеньки уровней сигнала яркости, на которых размещены пакеты предыскаженных частотно-модулированных поднесущих.

Задержка сигнала яркости

Сигналы цветности, претерпевающие многоступенчатые преобразования, приходят к сумматору С4 с некоторым запаздыванием (на 0,3...0,9 мкс) по отношению к сигналу яркости. Для совмещения во времени сигналов яркости и цветности в канал яркости включена широкополосная линия задержки ЛЗ на 0,3...0,9 мкс (см. рис. 6), представляющая собой стержень из изоляционного материала, на поверхность которого наклеена медная фольга или напылен металлический слой, а затем намотана однослойная обмотка из изолированного провода. Задержка прохождения сигнала через линию обусловлена переходными процессами в индуктивно-емкостных ячейках, образованных распределенными индуктивностью обмотки и емкостью между ее витками и металлическим слоем (рис. 9).

Вход и выход линии задержки, во избежание отражений сигнала, необходимо нагружать на сопротивления, равные волновому.

Особенности систем цветного телевидения HTCK и ПАЛ

Система НТСК, разработанная в США, принята в качестве стандартной вещательной системы цветного телевидения в Канаде, Японии и ряде стран Американского континента. В этой системе, так же, как и в системе СЕКАМ, информация о цвете передается внутри спектра сигнала яркости на поднесущих, модулированных цветоразностными сигналами.

Различие заключается в том, что оба цветоразностных сигнала передаются одновременно, в каждой строке развертки, причем без расширения полосы частот, занимаемой сигналом цветности в спектре сигнала яркости. Это достигнуто применением квадратурной модуляции, при которой две поднесущие, модулируемые цветоразностными сигналами по амплитуде, имеют одну и ту же частоту fC, но сдвинуты друг относительно друга по фазе на 90°.

Квадратурный модулятор состоит из двух балансных модуляторов, БМ-1, БМ-2 и сумматора С1 (рис. 10а). На каждый балансный модулятор подаются поднесущая fC =3,58 МГц (со сдвигом по фазе на 90°) и один из цветоразностных сигналов, E'J, или E'Q, структура которых по сравнению с сигналами E'R-Y и E'B-Y несколько изменена:

E'J = 0,74E'R-Y — 0,27E'B-Y;
E'Q = 0,48E'R-Y + O,4127E'B-Y.

Балансный модулятор устроен таким образом, что сигнал на его выходе (U1 или U2) возникает только при воздействии модулирующего сигнала. Колебания немодулированной поднесущей частоты балансным модулятором подавляются. Применение таких модуляторов резко снижает помехи от поднесущих на черно-белом изображении.
В сумматоре С1 амплитудно-модулированные сигналы U1 и U2, складываются, образуя полный сигнал цветности UC. Поскольку сигналы U1 и U2 сдвинуты по фазе на 90° (рис. 10б), то полный сигнал цветности определяется геометрической суммой этих сигналов (U2С = U21 + U22) и не совпадает ни с одним из них по фазе.

При передаче черно-белых участков изображения цветоразностные сигналы E'R-Y и E'B-Y, как известно, равны нулю, а значит, сигналы на выходах балансных модуляторов

U1 = U2 = 0       UC = 0.

При передаче окрашенных участков сигналы U1 и U2 приобретают определенные значения, причем тем большие, чем выше насыщенность цветов.

Поэтому амплитуда сигнала UC передает информацию о насыщенности цветов участков изображения. Фаза φ сигнала UC зависит от соотношения между амплитудами сигналов U1 и U2, т. е. передает информацию о преобладающем цветовом тоне.

С выхода сумматора С1 модулированный по амплитуде и по фазе сигнал UC поступает в сумматор С2, где складывается с сигналом яркости E'Y, в который предварительно введены гасящие и синхронизирующие импульсы. Далее полученный в сумматоре С2 полный телевизионный сигнал цветного телевидения поступает на модулятор передатчика.

Для возможности разделения цветоразностных сигналов, переданных методом квадратурной модуляции, в телевизионном приемнике подавленная поднесущая восстанавливается. При этом необходимо, чтобы восстановленная поднесущая с высокой точностью совпадала с подавленной не только по частоте, но и по фазе.

Это обеспечивается введением на телецентре в состав полного телевизионного сигнала специальных сигналов цветовой синхронизации. Они передаются во время каждого строчного гасящего импульса после синхронизирующего импульса и представляют собой пакеты («вспышки») с 8...10 периодами колебаний частоты поднесущей (рис. 11). Фаза этих колебаний соответствует фазе φ сигнала UС в каждой строке развертки.

Сигналы цветовой синхронизации управляют работой синхронных детекторов, которые в приемниках системы НТСК используются для выделения цветоразностных сигналов.

Система ПАЛ, принятая в качестве стандартной вещательной системы цветного телевидения в ФРГ, Англии, Швеции, Дании, Бельгии, Норвегии, Финляндии, Голландии и некоторых других странах, аналогична системе НТСК.

В системе ПАЛ также применяется квадратурный метод модуляции поднесущей цветоразностными сигналами, но фаза одной из квадратурных составляющих изменяется от строки к строке на 180°. Это позволяет уменьшить чувствительность системы к фазовым искажениям, которые при квадратурной модуляции неизбежны и являются основным недостатком системы НТСК.

Источник: http://principact.ru