1. Podstawowe pojęcia dotyczące telewizji kolorowej Telewizja jest działem telekomunikacji zajmującym się przesyłaniem na odległość obrazów ruchomych i nieruchomych metodami przyjętymi w telekomunikacji. Zbiór ogólnych zasad, według których transmisja taka jest realizowana, tworzy system telewizyjny, a zestaw środków technicznych, zapewniających tę transmisję, jest nazywany torem telewizyjnym (rys. 1). Jak widać na rysunku l, początek i koniec toru telewizyjnego stanowią urządzenia elektroniczne, zwane przetwornikami, które dokonują konwersji rodzaju energii. Zachodzą w nich procesy najbardziej istotne dla przekazywania obrazu: na wejściu toru: uzyskiwanie sygnału elektrycznego odpowiadającego przestrzennemu rozmieszczeniu świateł w przesyłanym obrazie optycznym analiza obrazu, na wyjściu toru; proces odwrotny do powyższego synteza obrazu. Przetworniki toru telewizyjnego są ze sobą sprzężone za pomocą zestawu układów elektronicznych, tworzących telewizyjny tor transmisyjny. 2.1. Analiza obrazu Analiza obrazu jest to proces zachodzący w lampie analizującej kamery TV, który ma na celu przetworzenie luminancji (jaskrawości) obrazu optycznego widzianego" przez kamerą na ciąg sygnałów elektrycznych, zwanych sygnałem wizji lub sygnałem obrazu. Powszechnie stosowanym sposobem analizy obrazu jest jego podział na odpowiednią ilość linii poziomych. Każda linia obrazu jest podzielona na pewną liczbę elementów, zwanych elementami obrazu. Przetwarzanie luminancji każdego elementu obrazu odbywa się sekwencyjnie i nazywa się wybieraniem obrazu. Wybieranie to rozpoczyna się od elementu na początku pierwszej czynnej linii obrazu, tj. linii zawierającej treść nadawanego obrazu, a kończy się na ostatnim elemencie w ostatniej czynnej linii obrazu (rozdz. 2.2 i 2.3). Sposób wybierania jest zgodny ze sposobem czytania przyjętym w piśmiennictwie europejskim, tzn. przebiega od strony lewej do prawej i od góry w dół. Analiza obrazu odbywa się według pewnych reguł, zwanych parametrami analizy. W standardzie europejskim analizę obrazu opisują trzy główne parametry: a) liczba linii poziomych w obrazie 625, b) liczba-obrazów analizowanych (nadawanych) w ciągu l s 25, w 4 c) wymiary obrazu = gdzie: w szerokość, h wysokość. h 3 Wynikiem procesu analizy jest sygnał wizji, będący odwzorowaniem rozkładu świateł (luminancji) wzdłuż kolejnych linii obrazu. Amplitudy sygnału wizji są proporcjonalne do luminancji analizowanych elementów obrazu, a jego częstotliwość zawiera się w przedziale od 0 do 6,5 MHz i zależy od szczegółowości obrazu. Schemat ideowy analizy obrazu czarno-białego przedstawiono na rysunku 2.
Obraz optyczny przez obiektyw kamery pada na powierzchnię światłoczułą lampy analizującej, na której pod wpływem zjawiska fotoelektrycznego tworzy się tzw. obraz ładunkowy. Obraz ten jest rozkładem ładunków elektrycznych, których wielkość jest proporcjonalna do luminancji (jaskrawości) odpowiadających im elementów' obrazu optycznego. Strumień elektronowy lampy analizującej, tzw. strumień analizujący lub wybierający, odchylany w kierunku poziomym i pionowym, padając na ładunki w obrazie ładunkowym powoduje ich neutralizację, dzięki czemu w obwodzie zewnętrznym lampy płynie prąd elektryczny. Przebieg tego prądu jest sygnałem wizji, którego chwilowa amplituda jest proporcjonalna do wielkości neutralizowanego ładunku, a więc do luminancji elementów obrazu optycznego. Schemat ideowy powstawania sygnału wizji przedstawiono na rysunku 3. 2.2. Struktura obrazu telewizyjnego Struktura obrazu jest to umowny podział obrazu telewizyjnego na linie i elementy obrazu, zwane powierzchniami elementarnymi (rys. 4).
Z zależności przedstawionych na rys. 4 można obliczyć: a) liczbę x elementów obrazu w jednej linii: x w w n 4 4 625 = x = = n = = 833,(3) n h h 3 3 Czyli x = 833, b) liczbę n elementów w całym obrazie: w 4 2 m = x n = n = 625 2 = 520 000, h 3 Czyli m = 520 000, c) liczbę m 1s elementów obrazu przesyłanych w ciągu 1 s: m 1s = 25 m = 25 520 000 = 13 000 000, czyli m 1s = 13 000 000, d) maksymalna częstotliwość f max sygnału wizji: m1s 13000 000 1 f max = = s = 6500 000 Hz = 6,5 MHz. 2 2 Jest to teoretyczna maksymalna częstotliwość sygnału wizji, która wystąpiłaby przy nadawaniu w 625 liniach obrazu czarno-białej szachownicy o polach równych elementom obrazu, tzw. szachownicy elementarnej. W rzeczywistości liczba tzw. czynnych linii obrazu, tzn. linii, w których jest przesyłana treść obrazu, jest mniejsza niż 625 (rozdz. 2.3), w związku z czym maksymalna częstotliwość sygnału wizji jest mniejsza niż 6,5 MHz. Liczba linii czynnych dla europejskiego standardu analizy obrazu wynosi na przykład 575, a rzeczywista maksymalna częstotliwość sygnału wizji ma wartość około 5,5 MHz (f max = 5,5 MHz). 2.3. Wybieranie międzyliniowe Wybieranie obrazu oznacza sposób analizowania obrazu telewizyjnego, czyli sposób przemieszczania się strumienia elektronów w lampie analizującej kamery telewizyjnej w czasie wybierania ładunków z obrazu ładunkowego (rozdz. 2, rys. 3). Obecnie w telewizji programowej stosuje się tzw. wybieranie międzyliniowe, w którym cały obraz jest podzielony na dwa półobrazy (pola): półobraz nieparzysty złożony z linii nieparzystych (l, 3, 5, 7,...), który zaczyna się na początku linii l i kończy się na połowie linii 625 (razem 312,5 linii obrazu), półobraz parzysty l złożony z linii parzystych (2, 4, 6, 8,...), który zaczyna się od drugiej połowy linii 625 i kończy się na końcu linii 624 (razem 312,5 linii obrazu),
W czasie wybierania międzyliniowego najpierw są analizowane wszystkie linie półobrazu nieparzystego, a następnie wszystkie linie półobrazu parzystego, po czym proces analizy powtarza się (rys. 5). Rys. 5. Uproszczony schemat wybierania międzyliniowego w europejskim standardzie analizy obrazu Analogicznie są odtwarzane linie obrazu w kineskopie odbiornika telewizyjnego. Istotne jest przy tym to, że linie jednego półobrazu muszą leżeć dokładnie między liniami drugiego półobrazu, tzn. że dowolna linia np. półobrazu nieparzystego musi występować dokładnie między dwiema liniami półobrazu parzystego (stąd nazwa wybieranie międzyliniowe). Należy przy tym dodać, że każda linia obrazu odtwarzana na ekranie kineskopu jest lekko pochylona w dół: wartość kąta pochylenia linii jest równa jej grubości. Ze względu na przejrzystość rysunku 5, ilustrującego wybieranie międzyliniowe, nic uwzględniono na nim faktycznego podziału półobrazów na linie czynne i bierne, a powroty pionowe strumienia między półobrazami zaznaczono linią prostą. W rzeczywistości ruchy robocze strumienia związane z wybieraniem obrazu dotyczą tylko tzw. linii czynnych (z treścią obrazu), których rozkład w danych półobrazach jest następujący: linie czynne w półobrazie nieparzystym: od początku linii 39 do połowy linii 609, linie czynne w półobrazie parzystym: od połowy linii 38 do końca linii 608. Pozostałe linie w danym półobrazie są liniami biernymi (wygaszonymi),a w czasie ich trwania strumień jest nieaktywny i wykonuje tzw. powrót pionowy, czyli przemieszcza się z końca jednego półobrazu na początek następnego. Należy podkreślić, że powrót pionowy strumienia nie odbywa się po linii prostej, tak jak to dla uproszczenia zaznaczono na rysunku 5, lecz strumień przemieszcza się wzdłuż kolejnych linii w górę, tj. na początek następnego półobrazu. Zarówno w czasie powrotów poziomych (od linii do linii), jak i powrotów pionowych (z półobrazu do półobrazu) strumień analizujący jest wygaszony, czyli wykonuje ruchy jałowe. Za odpowiednie przemieszczanie (odchylanie) oraz wygaszanie strumienia w procesie wybierania międzyliniowego odpowiadają impulsy synchronizacji i wygaszania, będące składnikami całkowitego sygnału wizji, Impulsy te sterują pracą układów odchylania i wygaszania strumieni w lampie analizującej kamery telewizyjnej i w kineskopie odbiornika, zapewniając współbieżność ruchów strumieni w obu tych przetwornikach. Dzięki zastosowaniu wybierania międzyliniowego obrazu telewizyjnego, kolejne półobrazy są
nadawane i odtwarzane w czasie 0,02 s każdy (zmieniają się z częstotliwością 50 Hz), co powoduje wyeliminowanie efektu migotania obrazu telewizyjnego na ekranie kineskopu odbiornika telewizyjnego. 2.3.1. Warunki wybierania międzyliniowego Proces wybierania międzyliniowego odbywa się prawidłowo tylko wtedy, gdy są spełnione niżej wymienione warunki wybierania: l) Zachowanie kolejności elementów w linii w sygnale wizji danej linii obrazu występują znaczniki końca tej linii w postaci impulsu synchronizacji linii (S). 2) Zachowanie kolejności linii w półobrazie w sygnale wizji danego półobrazu występują znaczniki końca tego półobrazu w postaci impulsu synchronizacji półobrazu (S Y ). 3) Wygaszanie strumienia w czasie powrotów poziomych i pionowych w sygnale wizji (linii i półobrazu) występują tzw. impulsy wygaszania linii (X H ) i wygaszania półobrazu (X V ). 4) Częstotliwość występowania linii obrazu, tzw. częstotliwość odchylania poziomego lub częstotliwość linii, f H = 15625 Hz (f n = częstotliwość nadawania obrazu x liczba linii w obrazie, czyli f H = 25 Hz x 625 = 15625 Hz). 5) Częstotliwość występowania półobrazów, tzw. częstotliwość odchylania pionowego lub częstotliwość ramki f V = 50 Hz (f V = częstotliwość nadawania obrazu x liczba półobrazów, czyli f V = 25 Hz x 2 = 50 Hz). 6) Czas trwania linii 1 1 1 6 t H = = = 64 10 s = 64µ s 1 f H 15625 s 7) Czas trwania półobrazu 1 1 1 3 tv = = = 20 10 s = 20ms 1 f 50 s V Uwaga: W technice telewizyjnej określenia: półobraz, pole, ramka mają takie samo znaczenie. 2.4. Luminancja, kontrast, barwa, chrominancja Luminancja (L) jest to parametr elektrooptyczny obrazu telewizyjnego, określający intensywność jego świecenia. Inaczej o luminancji można powiedzieć, że określa siłę światła. Luminancja jest parametrem mierzalnym. Jednostką luminancji jest nit [nt], który wyraża stosunek jednostki światłości, tj. kandeli [cd], do jednostki powierzchni [m 2 ]: [1cd] [ 1nt ] = 2 [1 m ] Jeżeli obraz jest bardzo jasny, to jego luminancja jest duża, a gdy jest ciemny, to jest mała. Przykładowo, zakres widzenia dziennego obejmuje zmiany luminancji od 0,1 cd/m 2 do 50000 cd/m 2. Wrażenie psychofizyczne wywołane u człowieka daną luminancja nazywamy jaskrawością obrazu. Jaskrawość jest niemierzalna. Im większa luminancja, tym większa jaskrawość. Kontrast (K) jest parametrem elektro optycznym obrazu, który określa stosunek luminancji maksymalnej do luminancji minimalnej: Lmax K = Lmin Skala kontrastu występująca w naturze jest duża i osiąga wartość kilku tysięcy. W telewizji skalę kontrastu ogranicza się do około 100. Z kontrastem jest związana tzw. adaptacja oka - receptory wzroku dostosowujączułość świetlną oka do luminancji (jaskrawości) oglądanego obrazu.
Barwa (kolor) Barwą w technice telewizyjnej nazywamy wrażenie świetlne wywołane promieniowaniem świetlnym o określonej długości fali (A) elektromagnetycznej, która zawiera się w zakresie promieniowania widzialnego. Promieniowanie widzialne obejmuje fale elektromagnetyczne o długościach od K= 380 nm do A = 780 nm, co odpowiada częstotliwościom fal od 7,9-10 14 Hz do 3,8 10 14 Hz. Widmo promieniowania widzialnego przedstawiono na rysunku 6. Barwy Fioletowa Niebieska Zielona Żółta Pomarańczowa Czerwona i--------------------1--------------------1-------------------1-------------------1-------------------1--------------------1------- 380 450 482 540 580 595 780 A(nm] Rys. 6. Widmo promieniowania widzialnego Światło białe jest mieszaniną świateł kolorowych w odpowiednich proporcjach. Rozszczepienie światła białego, np. przez pryzmat, daje widmo spektralne, w którym występują światła kolorowe od fioletu po czerwień. Dlatego w technice telewizyjnej przez mieszanie sumacyjne świateł kolorowych można uzyskiwać dowolne światła kolorowe, łącznic z bielą i jej odcieniami, czyli całą skalę szarości od bieli do czerni. Mówiąc o barwach rozumianych jako światła kolorowe, należy zdawać sobie sprawę, że musi istnieć źródło światła, natomiast kolor (barwa) danego przedmiotu, który obserwujemy, np. kolor czerwony, nie jest światłem. Wynika to z faktu, że przedmiot taki pochłania fale świetlne o innych długościach niż fala światła czerwonego, natomiast to właśnie światło, o długości λ = 610 nm, ulega odbiciu od tego przedmiotu i wywołuje w oku wrażenie koloru czerwonego. Sam przedmiot nie jest zatem źródłem światła kolorowego, a jego kolor widzimy tylko wtedy, gdy jest on oświetlony. W innym wypadku, np. przy braku oświetlenia w nocy, przedmiot ten nie wywołuje wrażenia barwnego zgodnie z przysłowiem, że w nocy wszystkie koty są czarne". Do kamery telewizji kolorowej nic docierają kolory, lecz światła o pewnych długościach fal, które odtwarzane przez kineskop odbiornika wywołują w oku wrażenia barwne. Kineskop kolorowy jest zbiorem niewielkich źródeł światła; są nimi luminofory kolorowe ekranu, które, pobudzane przez strumienie elektronów, emitują w kierunku widza światła kolorowe. Światła te są sumowane na siatkówce oka, przez co powstaje wrażenie obrazu kolorowego. Nasycenie koloru jest to cecha, która wyraża się udziałem danego światła kolorowego w świetle białym. Nasycenie danego koloru jest tym większe, im więcej procent w świetle białym stanowi światło tego koloru: nasycenie = 0% światło białe (nie zabarwione), nasycenie = 100% wyłączny udział danego światła kolorowego (0% białego) tzw. monochromatyzm, czyli jednobarwność. Chrominancja jest to pojęcie ogólne, obejmujące dwie cechy jakościowe koloru, tj. barwę i nasycenie. W technice telewizyjnej w odniesieniu do obrazu kolorowego trafniejsze jest używanie pojęcia chrominancji niż pojęcia koloru. Sygnały wizyjne wynikające z przesyłania obrazów kolorowych nazywa się więc sygnałami chrominancji, a rzadziej sygnałami koloru. 2.5. Fizyczne podstawy telewizji kolorowej Fizyczne podstawy telewizji kolorowej są oparte na trójkolorowości widzenia, związanej z sumacyjnym mieszaniem barw (kolorów). Większość kolorów występujących w przyrodzie uzyskuje się przez zmieszanie w odpowiednim stosunku trzech kolorów (świateł kolorowych), które w telewizji kolorowej przyjęto jako kolory podstawowe.
Rys.7. Zasada mieszania sumacyjnego kolorów Światła kolorów podstawowych mają następujące parametry: światło (kolor) czerwonek (ang. Red) k= 610 nm, x = 0,67, y = 0,33, światło (kolor) zielone G (ang. Green) A= 535 nm, x = 0,21, y = 0,71, światło (kolor) niebieskie B (ang. Blue) A = 470 nm, x = 0,14, y = 0,086. Współrzędne x, y określają jednoznacznie dany kolor na wykresie chromatyczności (patrz rys. 8 z rozdz. 2.6). Zasadę, mieszania sumacyjnego kolorów podstawowych o jednakowej intensywności świecenia przedstawiono na rysunku 7. Przykłady świateł kolorowych powstałych przez zmieszanie sumacyjne świateł R, G, B: (100% R, 0% G, 0% B) światło czerwone, (75% R, 25% G, 0% B) światło pomarańczowe, (50% R, 50% G, 0% B) światło żółte, (33% R, 33% G, 33% B} światło białe, (0% R, 0% G, 0% B) brak światła czerń. Źródłami światła o kolorach podstawowych R, G, B w telewizji kolorowej są plamki luminoforów R, G, B na ekranie kineskopu kolorowego. Zależnie od rodzaju kineskopu luminofory R, G, B mają kształt okrągły, eliptyczny lub paskowy. Trzy plamki luminoforów R, G, B występują zawsze obok siebie, tworząc tzw. triadę. Pod wpływem pobudzenia elektronowego każda z plamek luminoforu emituje światło koloru podstawowego o określonym natężeniu. Jeżeli oko ludzkie ogląda świecącą triadą luminoforów z odpowiednio dużej odległości, to na siatkówce oka następuje sumowanie świateł każdej z plamek, w wyniku czego powstaje wrażenie widzenia jednego punktu o kolorze wypadkowym. Dzięki trójkolorowości widzenia i bezwładności funkcjonowania oka ludzkiego zbiór wszystkich punktów kolorowych ekranu (triad luminoforów), emitujących światła kolorowe, pozwala wytworzyć wrażenie obrazu kolorowego. 2.6. Wykresy chromatyczności (kolorowości) Tak jak już wspomniano w rozdziale 2.5, każdy kolor rozumiany jako światło kolorowe można przedstawić na wykresie chromatyczności w układzie x, y (rys. 8) lub w układzie kołowym (rys. 9). Wzdłuż boków trójkąta RBG, występującego na rysunku 8, każdy z kolorów przechodzi w inny. W kierunkach promieniowych od obszaru bieli zmienia się nasycenie danego koloru. Im dalej od obszaru bieli, tym jest większe nasycenie koloru. Trójkątną siatkę kolorów RGB (linia przerywana) można sprowadzić do wykresu kołowego. Wyobraźmy sobie, że trójkąt RGB tworzy nić rozpięta na szpilkach wbitych w punkty R, G, B na wykresie. Gdy usuniemy szpilki, a nici nadamy kształt koła, wówczas trójkąt barw zamieni się w koło barw, czyli powstanie wykres kołowy chrominancji, jak na rysunku 9 Na wykresie kołowym chrominancji osie układu przecinają się w środku koła i w odróżnieniu od osi x,y są opisane symbolami U\ V. Oś oznaczona jako +U jest osią odniesienia, w stosunku do której określa się współrzędne koloru. Każdy kolor na wykresie kołowym jest określany przez kąt α. Nasycenie danego koloru rośnie w miarą oddalania się od środka układu. Sam środek układu oznacza brak koloru i dotyczy obszaru bieli. Ostatecznie, dany kolor, np. czerwony, o określonym nasyceniu można przedstawić w postaci wektora, którego kąt a określa kolor, a długość nasycenie tego koloru. Wektor R na rysunku 9 dotyczy np. koloru czerwonego (a = 104 ) o nasyceniu 100%, a
wektor Ż koloru żółtego ((p = = 168 ) o nasyceniu 75%. Rys. 8. Wykres chromatyczności w układzie prostokątnym x, y według CIE (Commision Internationale de l 'Eclaireage Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa) Rys. 9. Wykres kołowy chrominancji W analogiczny sposób przedstawia się sygnały chrominancji w systemach telewizji kolorowej NTSC i PAL (rozdz. 5. l - rys. 20, rozdz. 5.2 - rys. 27). 3. Ogólna zasada nadawania obrazów kolorowych Nadawany, kolorowy obraz optyczny jest analizowany przez kamerę telewizji kolorowej zgodnie z parametrami analizy i zasadami wybierania międzyliniowego (rozdz. 2.1-S-2.3). Kamera zawiera trzy niezależne lampy analizujące, z których każda analizuje światło o określonej długości fali, odpowiadającej jednemu z kolorów podstawowych: lampa czerwona", oznaczona literą^, analizuje rozkład światła czerwonego, zielona" G zielonego, a niebieska" B niebieskiego.
Rys. 10. Uproszczony schemat blokowy toru telewizyjnego W wyniku analizy obrazu kolorowego (rys. 10) na wyjściu lamp analizujących powstają trzy sygnały wizyjne, nazywane sygnałami kolorów podstawowych E R, E G, E B. Każdy z tych sygnałów odpowiada rozkładowi luminancji światła o kolorze podstawowym w obrazie kolorowym, np. sygnał E R jest proporcjonalny do luminancji światła czerwonego. Następnie sygnały te są poddawane korekcji y (gamma), polegającej na celowym odkształceniu ich amplitud w taki sposób, aby. mimo nieliniowej charakterystyki kineskopu kolorowego, otrzymać prawidłowe odtwarzanie kontrastu obrazu (tzw. skala kontrastu). Sygnały po korekcji y są oznaczane znakiem '(prim). Trzy skorygowane sygnały E' R, E' G, E' B są następnie podawane do układu formowania sygnałów wizyjnych (tzw. macierzy kodujących), w którym tworzy się, z nich sygnał luminancji E' oraz dwa sygnały różnicowe koloru: (E' R - E' Y ) i (E' B - E Y ), Sygnał luminancji jest odpowiednikiem całkowitego sygnału wizji telewizji czarnobiałej i zapewnia odtwarzanie programów kolorowych przez odbiorniki monochromatyczne w postaci obrazów czarno-białych. Dzięki sygnałowi luminancji istnieje kompatybilność telewizji kolorowej z telewizją monochromatyczną, Dwa sygnały różnicowe koloru zawierają wyłącznie informacje o obrazie kolorowym i są przeznaczone do odtwarzania obrazów kolorowych w odbiorniku telewizji kolorowej. Sygnały różnicowe w bloku kodowania sygnałów (tzw. koder telewizyjny) moduluj ą dodatkowy sygnał nośny (tzw. podnośna koloru), dzięki czemu powstaje zmodulowany sygnał kolorowy, nazywany sygnałem chrominancji (C). Następnie sygnał ten jest sumowany z sygnałem luminancji, tworząc w ten sposób całkowity kolorowy sygnał wizji CYXS, gdzie: C sygnał chrominancji, Y sygnał luminancji, X impulsy wygaszania linii i półobrazów, S impulsy synchronizacji linii i półobrazów + impulsy identyfikacji kolorów. W nadajniku telewizyjnym sygnał CYXS moduluje amplitudowo (AM) sygnał nośny nadajnika TV i wraz ze zmodulowanym sygnałem fonii jest jednocześnie wysyłany w postaci fali elektromagnetycznej przez antenę nadawczą do odbiorników TV. Sygnał fonii jest nadawany z modulacją częstotliwości (FM). Szerokość kanału telewizyjnego w standardzie OIRT 1 wynosi 8 MHz, natomiast w standardzie CCIR 2 7 MHz. 1 OIRT Organisation International dc Radiodiffusion et Télévision (tzw. standard wschodni). 2 CCIR Comité Consultatif International de Radiocommunication (tzw. standard zachodni). 4. Całkowity kolorowy sygnał wizji Przesyłanie obrazów kolorowych za pomocą trzech podstawowych sygnałów wizyjnych E' R, E' G, E' R nie znalazło praktycznego zastosowania w telewizji programowej ze wzglądu na wiele zasadniczych
wad i trudności technicznych, np. konieczność wykorzystywania trzech kanałów przesyłowych, brak kompatybilności telewizji kolorowej z monochromatyczną itp. Aby spełnić warunek kompatybilności z wykorzystaniem tylko jednego kanału telewizyjnego o szerokości 8 MHz lub 7 MHz, należy podstawowe sygnały koloru E' R E' G, E' B odpowiednio zakodować i złożyć w jeden całkowity kolorowy sygnał wizji. Sposób kodowania wynika z przyjętych systemów telewizyjnych: system NTSC USA, Japonia, Kanada, system PAL większość krajów Europy Zachodniej (Polska od 1995 r.}, system SECAM Francja, kraje Europy Wschodniej. 4.1. Składniki całkowitego kolorowego sygnału wizji Obrazy kolorowe w telewizji przesyła się za pomocą całkowitego kolorowego sygnału wizji, który zawiera dwa sygnały wizyjne (sygnał luminancji i sygnały chrominancji) i trzy sygnały pomocnicze nie zawierające informacji o obrazie kolorowym, tj. sygnał synchronizacji linii, sygnał synchronizacji półobrazu (ramki) i sygnał synchronizacji kolorów. Całkowity kolorowy sygnał wizyjny jest najczęściej oznaczony skrótem CYXS rzadziej KVGS lub KWGS. Często sygnał CYXS nazywa się sygnałem Video. Składniki sygnału CYXS spełniają następujące role w przesyłaniu i odtwarzaniu obrazów telewizji kolorowej: Sygnał luminancji (Y) (inne oznaczenia: E' Y, V, W) sygnał ten pozwala na spełnienie zasady kompatybilności między telewizją kolorową i czarno-białą. Dzięki sygnałowi luminancji programy kolorowe mogą być odbierane przez odbiorniki monochromatyczne i odtwarzane jako obrazy czarno-białe. W odbiorniku monochromatycznym sygnał F wytwarza obraz czarno-biały, a w odbiorniku telewizji kolorowej tworzy obrys obrazu (kontury), który jest następnie kolorowany" przez sygnał chrominancji. Sygnał chrominancji (C) (inne oznaczenia: PC podnośna chrominancji) - sygnał ten służy do wytworzenia obrazu kolorowego w odbiorniku telewizji kolorowej i zawiera informację o obrazie kolorowym w postaci sygnałów podstawowych koloru E' R, E' G, E' B, Sygnał chrominancji tworzy się z dwóch sygnałów różnicowych koloru: niebieskiego (E G - E' Y ), czerwonego (E' R - E' Y ) oraz sygnału nośnego, zwanego podnośna koloru lub podnośna chrominancji. Zmodulowany sygnał chrominancji powstaje w wyniku modulacji częstotliwościowej lub fazowo-amplitudowej (kwadraturowej) sygnału podnośnej koloru wyżej wymienionymi sygnałami różnicowymi. Sygnał wygaszania (X) (inne oznaczenia: G gaszenie) jest to ciąg impulsów prostokątnych, jak w sygnale telewizji czarno-białej, zawierający sygnały wygaszania linii X H \ sygnały wygaszania ramki X V. Sygnały X H i X V powodują wygaszanie strumieni w lampach analizujących kamery oraz w kineskopie podczas powrotów poziomych (przejście strumieni między liniami obrazu) i podczas powrotów pionowych (przejście strumieni między półobrazami). Sygnał synchronizacji (S C ) jest to ciąg impulsów prostokątnych w postaci sygnałów synchronizacji linii obrazu S C o częstotliwości f H = 15625 Hz i sygnałów synchronizacji półobrazów S V o częstotliwości f V - 50 Hz. Sygnał synchronizacji S = S H + S V zapewnia współbieżność ruchów strumienia w lampie analizującej kamery i w kineskopie. Sygnał synchronizacji kolorów (S c ) jest to sygnał służący do identyfikacji danego systemu telewizyjnego. W dekoderze koloru odbiornika telewizji kolorowej sygnał S c powoduje odpowiednie przełączenia dekodera, zapewniając tym samym poprawne dekodowanie sygnału chrominancji. Sygnał synchronizacji kolorów nazywa się także sygnałem identyfikacji kolorów lub sygnałem burst. 4.2. Sygnały podstawowe koloru i sygnał luminancji
Sygnały podstawowe koloru są to sygnały wizyjne, jakie wypracowuje kamera telewizji kolorowej w czasie trwania analizy obrazu kolorowego. Odpowiadają one trzem podstawowym kolorom światła zawartym w obrazie kolorowym i są oznaczane przez E R, E G, E B lub R, G, B: E R sygnał wizyjny podstawowy koloru czerwonego na wyjściu kamery, E G sygnał wizyjny podstawowy koloru zielonego na wyjściu kamery, E B sygnał wizyjny podstawowy koloru niebieskiego na wyjściu kamery. Powyższe sygnały z wyjścia z kamery są podawane do układów korekcji f, polegającej na odkształceniu ich amplitud proporcjonalnie do współczynnika nieliniowości kineskopu kolorowego, który przyjmuje się y = 2,8. Odkształcenie sygnałów odbywa się według funkcji y = x 1/γ, zatem sygnały po korekcji są opisane następująco: E' R = E R 1/γ = E R 1/γ = E R 0,357 skorygowany sygnał koloru czerwonego, E' G = E G 1/γ = E G 1/γ = E G 0,35 skorygowany sygnał koloru zielonego, E' B = E B 1/γ = E B 1/γ = E B 0,357 skorygowany sygnał koloru niebieskiego. Jeżeli sygnał po korekcji y = x ]/γ zostaje podany do kineskopu wnoszącego zniekształcenia y = x γ, to ostatecznie sygnał w kineskopie ma kształt pierwotny jak na wyjściu kamery: y = (x 1/γ ) γ = x, np. (E' R ) γ = (E R 1/γ ) γ =E R. Naturalne pasmo częstotliwości sygnałów podstawowych koloru zawiera się w zakresie od 0 do 6MHz. Im jest mniejsza długość kolorowych odcinków w linii obrazu, tym wyższa jest częstotliwość sygnału podstawowego. Inaczej mówiąc, im więcej szczegółów kolorowych zawiera obraz, tym wyższa musi być częstotliwość podstawowych sygnałów, które te kolory reprezentują (rys. 11). Sygnał luminancji (E Y ) jest to sygnał składowy całkowitego kolorowego sygnału wizji, który odpowiada całkowitemu sygnałowi wizji, stosowanemu w telewizji czarno-białej, służącemu do wytwarzania obrazów czarno-białych. W telewizji kolorowej sygnał luminancji tworzy obrys obrazu kolorowego. Dzięki sygnałowi luminancji odbiornik monochromatyczny może odtwarzać programy kolorowe w postaci obrazów czarno-białych. Sygnał luminancji odpowiada rozkładowi luminancji (jaskrawości) w obrazie optycznym, a jego pasmo częstotliwości zawiera się w granicach 0-6 MHz. Małe częstotliwości tego sygnału od 0 do 50 Hz nazywa się składową stalą reprezentują one duże powierzchnie obrazu, tzw. tło obrazu. Duże częstotliwości sygnału luminancji od 50 Hz do 6 MHz nazywa się składową zmienną dotyczą one treści obrazu (szczegółów). Im obraz jest bardziej szczegółowy, tym wyższe muszą być częstotliwości sygnału luminancji. W telewizji kolorowej sygnał luminancji tworzy się z trzech sygnałów podstawowych koloru według zależności: E' Y =0,30E R +0.59E G + 0,11E B. Wytworzenie sygnału luminancji następuje w macierzach kodujących kodera telewizyjnego po stronic nadawczej i polega na sumowaniu napięć sygnałów podstawowych E' R, E' G, E' B według powyższej zależności. Najprostszą macierzą kodującą jest układ rezystorowy, przedstawiony na rysunku 12.
Rys. 12. Macierz sygnału luminancji Procentowy udział sygnałów podstawowych koloru w sygnale luminancji wynika z czułości oka na poszczególne kolory. Światło zielone jest widziane jako najbardziej jaskrawe (jaśniejsze), a światła czerwone i niebieskie jako mniej jaskrawe. Aby z trzech świateł kolorowych uzyskać biel 100%, należy je zsumować w proporcjach tak, jak we wzorze na sygnał E' Y. Wówczas sygnał luminancji ma największą amplitudę, tj. 100%. Jeżeli jaskrawość kolorowi, G, B jest mniejsza, to odpowiadający im sygnał luminancji ma wartość mniejszą niż 100% i odpowiada wówczas pewnej szarości. Aby potwierdzić, że sygnał luminancji odpowiada rozkładowi luminancji w obrazie kolorowym, należy sobie wyobrazić, że z obrazu kolorowego zrobiono zdjęcie czarno-białe, na którym różne kolory są przetworzone na odpowiadające im szarości. W analogiczny sposób sygnał luminancji odwzorowuje w kineskopie czarno-białym obraz kolorowy. Przykład sygnału luminancji przedstawiono na rysunku 13. Rys. 13. Przykład sygnału luminancji dla jednej czarno-białcj linii obrazu. t H czas trwania całej linii łącznie z częścią, wygaszoną linii, t w czas trwania linii z treścią obrazu (tzw. czas wybierania linii), t PH czas wygaszania linii, tzw. czas powrotu linii, t H = t w + t PH = 52 µs + 12 µs = 64 µs, l impuls synchronizacji linii o czasie trwania około 4,9 µs, 2 impuls wygaszania linii o czasie trwania około 12 µs, 3 sygnał wizji (luminancji) dotyczący treści linii, tzw. sygnał obrazu, 4 tylny próg impulsu wygaszania o czasie trwania około 6 µs.
4.3. Sygnały różnicowe koloru i sygnał chrominancji Sygnały różnicowe koloru są to sygnały, odwzorowujące kolorową treść obrazu telewizyjnego, przeznaczone do wytwarzania obrazu kolorowego w odbiorniku telewizji kolorowej. Powstają one w macierzach kodujących kodera telewizyjnego po stronie nadawczej, na drodze elektrycznego sumowania amplitud trzeci skorygowanych, podstawowych kolorowych sygnałów wizji wytworzonych przez kamerę telewizji kolorowej. Sumowanie sygnałów podstawowych w macierzach odbywa są według zależności: sygnał różnicowy koloru czerwonego: (E' R - E' Y ) = 0,70E R 0,59E' G - 0,11E B sygnał różnicowy koloru zielonego: (E' G - E' Y ) = -0,30E R + 0,41E' G 0,11E B sygnał różnicowy koloru niebieskiego: (E' B E Y ) = -0,30E R - 0,59E' G + 0,89E B Procentowy udział sygnałów podstawowych koloru w danym sygnale różnicowym oblicza się następująco: wiedząc, że E' Y = 0,30E' R + 0,59E' G + 0,11E B, podstawiamy tę zależność np. do wzoru na sygnał różnicowy koloru czerwonego: (E R - E Y )=E R -(0,30E R +0.59E G + 0,11E B )=0,70E R 0,59E G 0,11E B. Podobnie obliczamy dwa pozostałe sygnały. Dla obrazu bezkolorowego sygnały różnicowe są zerowe i w takim przypadku w odbiorniku kolorowym występuje jedynie sygnał luminancji odtwarzający obraz czarno-biały. Do odbiornika przesyła się jedynie dwa sygnały różnicowe, tj. czerwony i niebieski. W odbiorniku z sygnału luminancji i z dwóch sygnałów różnicowych można odtworzyć brakujący, trzeci sygnał różnicowy, który jest niezbędny do ponownego odtworzenia sygnałów podstawowych E' R, E' G, E' B. Sygnały podstawowe w kineskopie kolorowym odtwarzają nadany obraz kolorowy. Z trzech sygnałów różnicowych po stronie nadawczej, sygnał różnicowy koloru zielonego ma najmniejsze amplitudy i z tego powodu jest najbardziej podatny na zakłócenia w torze przesyłowym. Dlatego sygnału zielonego nic nadaje się, lecz odtwarza w odbiorniku. Pasmo częstotliwości sygnałów różnicowych ogranicza się do około l,5 MHz, co wynika z faktu, że oko ludzkie rozróżnia kolory na względnie dużych powierzchniach, którym odpowiadająmałe częstotliwości sygnałów wizyjnych (do 1,5 MHz). Ponieważ małe powierzchnie kolorowe obrazu oko postrzega jako czarno-białe, do odbiornika nie przesyła się wyższych częstotliwości (powyżej 1,5 MHz) sygnałów różnicowych koloru, które takim powierzchniom odpowiadają. Na rysunku 14 przedstawiono przykład macierzy do wytwarzania sygnału różnicowego koloru czerwonego. W telewizji kolorowej sygnały wizyjne (sygnał luminancji i sygnał chrominancji) i sygnał fonii FM towarzyszącej nadawanemu obrazowi są transmitowane do odbiorników telewizyjnych przez kanał telewizyjny o szerokości 8 MHz (w standardzie OIRT) lub 7 MHz (w standardzie CCIR). Charakterystykę amplitudowo-częstotliwościową kanału telewizyjnego wg OIRT przedstawiono na rysunku 15, a rozkład częstotliwości w kanale telewizyjnym wg CCIR w systemie telewizji kolorowej PAL na rysunku 30 w rozdz. 5,2. Rys. 14. Macierz sygnału (E' R -E' Y )
Rys. 15. Charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa kanału TV wg OIRT. f nw nośna wizji nadajnika TV zmodulowana amplitudowo sygnałem wizji CYXS, f nf nośna fonii nadajnika TV zmodulowana częstotliwościowe sygnałem akustycznym (fonii), pasmo wizji pasmo częstotliwości zajmowane przez zmodulowany sygnał wizji, tj. fragment wstęgi dolnej (/) i pełna wstęga górna (2), pasmo fonii pasmo częstotliwości zajmowane przez zmodulowany FM sygnał fonii towarzyszącej nadawanemu obrazowi. Przedstawiony powyżej sposób przesyłania sygnałów w kanale TV wymaga przesyłania sygnału chrominancji w tym samym paśmie częstotliwości, jakie zajmuje sygnał luminancji, co stwarza możliwość wzajemnego zakłócania się tych sygnałów, a tym samym prowadzi do zakłóceń odtwarzanego obrazu kolorowego. Aby tego uniknąć, sygnał chrominancji przesyła się w górnej części pasma sygnału luminancji. Wówczas zakłócanie się tych sygnałów jest praktycznie pomijalne, co zapewnia prawidłowe odtwarzanie obrazu kolorowego. Wynika to z nierównomiernego rozkładu energii częstotliwości składowych w sygnale luminancji (rys, 16). Energia składowych sygnału ' powyżej 2 MHz jest już tak mała, że umieszczenie w tej części pasma sygnału chrominancji nie powoduje zakłócania się tych dwóch sygnałów. Przybliżone charakterystyki pasmowe sygnału luminancji i chrominancji pokazano na rysunku 17. W celu przesunięcia sygnałów różnicowych w górną część pasma sygnału luminancji, stosuje się dodatkowy, sinusoidalny sygnał podnośnej f 0, który moduluje się dwoma sygnałami różnicowymi. Tak zmodulowany sygnał podnośnej/ 0 nazywa są sygnałem chrominancji. Częstotliwość podnośnej f 0 oraz sposób modulacji zależą od rodzaju systemu telewizji kolorowej: system NTSC f 0 =3,58 MHz modulacja kwadraturowa (QAM), system PAL f 0 = 4,43 MHz modulacja kwadraturowa (QAM), system SECAM f 0B = 4,25 MHz, f 0R = 4,406 MHz modulacja częstotliwościowa (FM). Rys. 16. Widma energetyczne sygnałów wizyjnych. / widmo sygnału ^(luminancji), 2 widmo sygnału C (chrominancji) Rys. 17. Charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowe sygnału ",, i sygnału C. f Q podnośna sygnału chrominancji
4.4. Przebiegi wizyjne w telewizji kolorowej Przebiegi wizyjne w telewizji kolorowej są to przebiegi sygnałów wizyjnych, będących składnikami całkowitego kolorowego sygnału wizji (CYXS) wytworzonego przez koder telewizji kolorowej danego systemu (np. PAL) po stronic nadawczej. Kształty tych przebiegów zależą od treści obrazu kolorowego analizowanego przez kamerę telewizyjną. Na rysunku 18 przedstawiono przykład przebiegów sygnałów wizyjnych i ich pasma częstotliwości, odpowiadających typowemu obrazowi kontrolnemu (testowemu) złożonemu z pionowych pasów kolorowych o nasyceniu 100%. Ze względu na przejrzystość rysunków pominięto impulsy synchronizacji i wygaszania linii obrazu. Rys. 18. Sygnały wizyjne dla obrazu pionowe pasy kolorowe: a) linia obrazu z treścią (pionowe pasy kolorowe), b) przebiegi sygnałów wizyjnych, c) pasma częstotliwości sygnałów wizyjnych
5. Systemy telewizji kolorowej 5.1. Założenia systemu, kodowanie i odbiór sygnałów w systemie NTSC System NTSC powstał jako pierwszy na świecie, w 1953 r. w USA, a jego nazwa jest utworzona z pierwszych liter nazwy komitetu powołanego przez rząd USA do opracowania systemu telewizji kolorowej: National Television System Committee (Komitet do opracowania narodowego systemu telewizji kolorowej). Nadawany obraz kolorowy, kodowany według zasad systemu NTSC, jest oparty na standardzie amerykańskim analizy obrazu, w którym główne parametry nadawania obrazu są następujące; ilość linii w obrazie 525, nadawanie obrazu 30 obrazów na sekundą, częstotliwość linii f H = 15734 Hz, częstotliwość ramki f y = 60 Hz, odstąp między nośną wizji a nośną fonii 4,5 MHz, pasmo sygnału luminancji 4,2 MHz, pasmo kanału TV 6 MHz. System NTSC jest systemem równoczesnym, co oznacza, że dla każdej kolorowej linii obrazu nadaje się sygnał luminancji i dwa sygnały różnicowe koloru Q i /. Założenia systemu NTSC: 1. Amerykański standard analizy obrazu. 2. Równoczesne przekazywanie trzech informacji w jednym kanale TV: luminancja (sygnał E' Y ), kolor i nasycenie koloru (sygnał chrominancji). Sygnał chrominancji, utworzony z dwóch sygnałów różnicowych Q i I, jednoznacznie odwzorowuje kolor i jego nasycenie. 3. Podnośna sygnału chrominancji ma wartość: f 0 = 3,58 MHz. 4. Sygnał chrominancji powstaje w wyniku modulacji kwadraturowej podnośnej f 0 przez dwa sygnały różnicowe koloru Q i I. 5. Podnośna/ 0 jako przebieg sinusoidalny o częstotliwości 3,58 MHz jest w czasie modulacji wygaszona, tzn. sygnał ten nie jest nadawany do odbiornika. 6. Sygnał chrominancji stanowią dwie wstęgi boczne zmodulowanego sygnału podnośnej oznaczone jako C I i C Q. 7. Nośnikiem informacji o obrazie kolorowym jest kąt fazowy (sygnału chrominancji oraz amplituda tego sygnału: kąt fazowy φ określa kolor obrazu, amplituda określa nasycenie koloru. 8. Identyfikacja kolorów jest zapewniona przez przesyłanie do odbiornika tzw. impulsów identyfikacji kolorów (burst). Całkowity kolorowy sygnał wizyjny CYXS w systemie NTSC zawiera dwa sygnały wizyjne oraz sygnały pomocnicze, których przeznaczenie i ogólną budową opisano w rozdziale 4. Poniżej przedstawiono pewne dodatkowe cechy tych sygnałów, które wynikają ze sposobu kodowania sygnałów wizyjnych w systemie NTSC: sygnał luminancji (E Y ): E Y =0,30E R +0,59E' G +0,11E' B pasmo częstotliwości od 0 do 4,2MHz, sygnały różnicowe koloru (I, Q): 1=0,74(E' R -E' Y ) - 0,27(E' B - E' Y ) pasmo częstotliwości od 0 do l,5 MHz, Q = 0,48(E' R -E' Y ) + 0,41(E' B - E' Y ) pasmo częstotliwości od 0 do 0,5 MHz, sygnał chrominancji (C): powstaje w wyniku modulacji kwadraturowej (QAM - niem. Quadratur Amplituden Modulation) podnośnej chrominancji f 0 = 3,58 MHz sygnałami różnicowymi I i Q. Sygnały te modulują tę samą podnośną, z tą różnicą, że sygnał I moduluje podnośną bez przesunięcia fazowego, a sygnał Q podnośną przesuniętą w fazie o 90. Schemat blokowy modulacji kwadraturowej oraz ideą wytwarzania sygnału chrominancji przedstawiono na rysunku 19.
Na podstawie przebiegu wypadkowego sygnału chrominancji C = C I + C Q można stwierdzić, że przebieg ten w chwilach określonych fazami 90 i 270 ma takie wartości, jak przebieg modulujący I, a w chwilach określonych fazami 0, 180, 360 wartości takie, jak przebieg modulujący Q. Stosując w odbiorniku przełącznik, który będzie wycinał krótkie odcinki przebiegu wypadkowego C o fazach jak wyżej, można otrzymać przebiegi wartości szczytowych, które po uszeregowaniu utworzą sygnały różnicowe koloru I Q użyte do modulacji. Proces ten nazywa się demodulacją sygnału chrominancji i odbywa się w demodulatorze kwadraturowym, stanowiącym element składowy dekodera koloru w odbiorniku systemu NTSC. W czasie modulacji kwadraturowej po stronie nadawczej sygnał sinusoidalny podnośnej 3,58 MHz jest wytłumiony, a sygnał chrominancji C = C { + C Q stanowią wstęgi boczne przebiegu zmodulowanego. Ponieważ do demodulacji (w odbiorniku) sygnału chrominancji przebieg podnośnej 3,58 MHz jest niezbędny, należy wytworzyć go w odbiorniku. Do tego celu służy generator lokalny o częstotliwości 3,58 MHz, synchronizowany z przebiegiem podnośnej 3,58 MHz po stronie nadawczej (wytłumionym przy nadawaniu) za pomocą impulsów identyfikacji kolorów przesyłanych do odbiornika jako tzw. sygnał burst. Rys. 19. Schemat blokowy modulatora kwadraturowego. C y podnośna f u = 3,58 MHz bez przesunięcia fazowego, zmodulowana amplitudowo sygnałem różnicowym I (składowa chrominancji od sygnału różnicowego I), C Q podnośna f 0 = 3,58 MHz przesunięta w fazie o +90, zmodulowana amplitudowo sygnałem różnicowym Q (składowa chrominancji od sygnału różnicowego Q), C wypadkowy sygnał po zsumowaniu podnośnych C I, i C Q, czyli zmodulowany sygnał chrominancji Zgodnie z zasadą, że każdy kolor można przedstawić na wykresie kołowym (rozdz. 2.6), sygnał chrominancji w systemie NTSC przedstawia się jako wektor chrominancji C utworzony z dwóch sygnałów składowych chrominancji C I i C Q wzajemnie przesuniętych o 90 (rys. 20). Jak już wspomniano, w założeniach systemu NTSC każdy kolor obrazu nadawanego jest reprezentowany przez sygnał chrominancji, przedstawiony na wykresie w postaci wektora chrominancji (C), którego długość ( C ) określa nasycenie koloru, a kąt fazowy φ - rodzaj koloru, np. kątowi φ= 104 odpowiada kolor czerwony. Jeżeli w obrazie kolorowym zmieniają się kolory, to również zmieniają się amplitudy sygnałów różnicowych koloru I i Q. Zmiany amplitud powodują zmianą wartości (poziomu) sygnałów zmodulowanych chrominancji C ; i C które powstają w wyniku modulacji amplitudowej w modulatorze 2 2 CI kwadraturowym, Ponieważ z wykresu kołowego wynika, że C = CI + CQ i θ = arctg, więc C Q
można zauważyć, że odpowiednio do zmian treści obrazu kolorowego zmienia się zarówno długość wektora C (nasycenie), jak i jego kąt fazowy φ (kolor). Sygnał identyfikacji kolorów (burst) W systemie NTSC sygnał synchronizacji (identyfikacji) kolorów składa się z 8 do 10 sinusoid niemodulowanej podnośnej f 0 = 3,58 MHz o fazie początkowej 180, przesyłanych na tylnym progu impulsu wygaszania linii. Na wykresie kołowym chrominancji sygnał burst jest przedstawiony w postaci wektora o fazie zgodnej z osią -(E B - E Y ). Dzięki przesyłaniu do odbiornika sygnału burst, na początku każdej linii odtwarzanego obrazu otrzymuje się próbkę wzorcową oryginalnej podnośnej 3,58 MHz, która za pomocą komparatora fazy i układu przestrajania doprowadza generator lokalny 3,58 MHz do zgodności fazowej z podnośną po stronie nadawczej. Położenie sygnału burst w sygnale CYXS systemu NTSC przedstawiono na rysunku 22i). Koder NTSC Podstawowym zadaniem kodera telewizji kolorowej NTSC jest wytworzenie całkowitego kolorowego sygnału wizji CYXS zgodnego z założeniami systemu NTSC (rys. 21). Poszczególne układy kodera spełniają niżej wymienione funkcje. Kamera wytworzenie trzech podstawowych sygnałów wizji E' R, E' G, E' B łącznie z korekcją γ. Macierze wytworzenie sygnału luminancji E' Y i dwóch sygnałów różnicowych koloru według zależności: ' E = 0,30E' + 0,59E' + 0,11E', Y I = 0,74 Q = 0,48 R ( E' R E' Y ) 0,27( E' B E' Y ), ( E' E' ) + 0,41( E' E' ). R Y G B B Y
Rys. 21. Schemat blokowy kodera NTSC Rys. 22. Przebiegi sygnałów wizyjnych i odpowiadające im pasma częstotliwości w systemie telewizji kolorowej NTSC przy przesyłaniu typowego obrazu kontrolnego złożonego z pionowych pasów kolorowych o nasyceniu 100%: a) linia pozioma obrazu, b) czerwony sygnał wizyjny, c) zielony sygnał wizyjny, d) niebieski sygnał wizyjny, e) sygnał luminancji, f) sygnał różnicowy koloru Q, g) sygnał różnicowy koloru I, h) sygnał chrominancji C, i) całkowity kolorowy sygnał wizyjny.
Tor luminancji ukształtowanie pasma częstotliwości i wzmocnienie sygnału luminancji oraz opóźnienie czasowe sygnału E' Y w taki sposób, aby na wyjściu kodera pojawił się, on w tym samym czasie, co sygnał chrominancji. Sygnał E Y i sygnał chrominancji mają różne pasma częstotliwości, co powoduje, że przez swoje tory kodera przechodzą one w różnym czasie. W ten sposób powstaje przesunięcie czasowe około l µs, które niweluje linia opóźniająca w torze luminancji. Gdy przesunięcie fazowe nie jest zniwelowane, wówczas na obrazie kolorowym powstaje przesunięcie konturu obrazu w stosunku do koloru związanego z tym konturem. Tor chrominancji spełnia następujące funkcje: kształtuje pasmo częstotliwości sygnałów różnicowych I oraz Q, zapewnia modulacje kwadraturową podnośnej f 0 =3,58 MHz, sygnałami różnicowymi I i Q, wytwarza wypadkowy sygnał chrominancji C przez sumowanie sygnałów składowych C I, i C Q. Tor synchronizacji zapewnia: sterowanie pracą kamery i macierzy kodujących, wygaszanie strumieni elektronowych lampy analizującej w czasie powrotów poziomych i pionowych, wytworzenie sygnału sinusoidalnego podnośnej f 0 = 3,58 MHz, wytworzenie i nakładanie na tylne zbocze impulsu wygaszania linii impulsów synchronizacji kolorów (burst), uzupełnienie kolorowego sygnału wizji CY o impulsy synchronizacji i wygaszania w celu wytworzenia całkowitego kolorowego sygnału wizji CYXS. Na rysunku 22 przedstawiono przebiegi sygnałów wizyjnych i ich pasma częstotliwości w systemie NTSC. Przebiegi te odpowiadają typowemu obrazowi kontrolnemu złożonemu z pionowych pasów kolorowych o nasyceniu 100%. Całkowity kolorowy sygnał wizyjny CYXS (rys. 22i) występujący na wyjściu kodera NTSC jest przesyłany do nadajnika telewizyjnego, gdzie moduluje amplitudowo falę nośną nadajnika, po czym wraz z sygnałem zmodulowanym FM fonii towarzyszącej obrazowi jest emitowany w postaci fali elektromagnetycznej przez antenę nadawczą. Rozkład częstotliwości w kanale telewizyjnym przy transmisji sygnałów telewizyjnych w systemie NTSC przedstawiono na rysunku 23. Rys. 23. Rozkład częstotliwości w kanale TV przy transmisji w systemie NTSC Zakłócenia sygnału chrominancji w systemie NTSC Ponieważ kolor w systemie NTSC jest reprezentowany przez kąt fazowy φ wektora chrominancji, wiać wszelkie zakłócenia tego kąta (fazy sygnału C) w drodze przesyłowej powodują w odbiorniku zmianę koloru (fałszowanie kolorów w obrazie odtwarzanym). Pasożytnicze opóźnienia czasowe i przesunięcia fazowe sygnałów w kablach kamerowych, odbicia fal, wpływ temperatury i inne czynniki
zewnętrzne powodują, że kąt fazowy φ w nadawanym sygnale chrominancji jest różny od kąta φ w sygnale odebranym (rys. 24). Oznacza to, że kolor odebrany jest różny od koloru nadanego, np. zamiast nadanego koloru czerwonego, w wyniku zakłóceń kąta φ, można w odbiorniku otrzymać kolor pomarańczowy. Z powyższych powodów odbiorniki systemu NTSC mają tzw. regulator odcienia koloru, pozwalający kompensować ręcznie błędy fazowe sygnału chrominancji. Ale wtedy kolory odtwarzanego obrazu mogą zależeć od gustu odbiorcy. Ze względu na opisaną wadę systemu NTSC dosyć często określa się go żartobliwie jako Never Twice Same Colour, czyli nigdy dwa razy ten sam kolor. Rys. 24. Błędy fazowe sygnału chrominancji. φ =φ+ φ - zmiana koloru, C C zmiana nasycenia koloru, φzakłócenia fazowe Odbiór sygnałów w systemie NTSC Ideę odbioru sygnałów wizyjnych w systemie NTSC omówiono na przykładzie schematu blokowego (rys. 25) odbiornika telewizyjnego systemu NTSC. Przy odbiorze programów kolorowych kodowanych w systemie NTSC, fala elektromagnetyczna nadajnika TV, zmodulowana amplitudowo sygnałem CYXS i częstotliwościowo sygnałem fonii, indukuje w antenie odbiorczej napięcie w.cz, które jest sygnałem zmodulowanym w.cz. odbieranej stacji. W głowicy w.cz. (21 sygnał ten jest wzmacniany o około kilkadziesiąt db, a następnie poddawany przemianie częstotliwości, która przebiega według takich samych zasad, jak przemiana w odbiorniku radiowym. Po przemianie częstotliwości na wyjściu głowicy telewizyjnej otrzymuje się sygnał wizji o częstotliwości pośredniej f p.cz.w i sygnał fonii f p.cz.f. Częstotliwości pośrednie tych sygnałów są stałe i nie zależą od częstotliwości odbieranej stacji telewizyjnej. Następnie sygnały p.cz. wizji i fonii są wzmacniane we wzmacniaczu p.cz. (3) do wartości kilku woltów napięcia międzyszczytowego, co jest niezbędne do ich poprawnej detekcji. Rys. 25. Układ odbiornika telewizji kolorowej system NTSC wraz z przebiegami sygnałów występujących w obwodach tego odbiornika przy odbiorze fali nośnej zmodulowanej kolorowym całkowitym sygnałem wizyjnym odpowiadającym obrazowi zielonego pasa pionowego na szarym tle. / antena odbiorcza, 2 glowicaw.cz., 3 wzmacniacz p.cz.,4 detektor wizji,
5 układ rozdzielający, 6 regulator kontrastu, 7 linia opóźniająca toru luminancji, 8 wzmacniacz luminancji, 9 wzmacniacz cbrominancji, 10 regulacja nasycenia, ł! demodulator Q, 12 demodulator/, 13 lokalny generator podnośnej chrominancji 3,58 MHz, 14 przesuwnik fazowy 90, 15 układ automatycznej regulacji fazy, 16 regulator barwy, 17 macierze dekodujące, 18 wzmacniacz czerwonego sygnału różnicowego, 19 wzmacniacz zielonego sygnału różnicowego, 20 wzmacniacz niebieskiego sygnału różnicowego, 21 selektor, 22 detektor fazy, 23 generator poziomego odchylania, 24 stopień końcowy poziomego odchylania, 25 układ wytwarzający wysokie napięcie, 26 generator pionowego odchylania, 27 stopień końcowy pionowego odchylania, 28 układ zasilania cewek zbieżności, 29 zespół cewek zbieżności, 30 transduktor, 31 zespół cewek odchylających, C (. sygnał sinusoidalny podnośnej f t = 3,58 MHz o fazie φ = 0, C sygnał sinusoidalny podnośnej f a = 3,58 MHz o fazie φ= +90 Wzmacniacz p.cz. oprócz wzmocnienia zapewnia wymaganą selektywność odbiornika, tzn. charakterystyka przenoszenia wzmacniacza p.cz. jest tak ukształtowana, że sygnały niepożądane (przenikający sygnał heterodyny, sygnały lustrzane, sygnały sąsiednich stacji itp.) są mocno wytłumione na poziomie około 40-50 db dzięki czemu otrzymuje się niezakłócony odbiór wizji i fonii. Na wyjściu detektora wizji (4) otrzymuje sic. sygnał CYXS, który następnie rozdziela się na sygnał luminancji E Y i sygnał chrominancji C = C I + C Q Rolę rozdzielacza sygnałów (5) spełniają filtry: filtr dolnoprzepustowy FDP o paśmie około 0 3 MHz wydziela sygnał E' Y do toru luminancji, a tłumi sygnał C, filtr górnoprzepustowy FGP o paśmie 2,5 4,2 MHz wydziela sygnał chrominancji C do toru chrominancji, tj. dekodera kolorów, a tłumi sygnał E' Y. Sygnał luminancji po opóźnieniu o około l µs i po wzmocnieniu we wzmacniaczu luminancji (8) pojawia się na wejściu macierzy dekodujących. Jednocześnie sygnał chrominancji po wzmocnieniu we wzmacniaczu (9) o regulowanym wzmocnieniu (regulacja nasycenia kolorów) jest podany do demodulatora kwadraturowego, złożonego z dwóch demodulatorów amplitudy (11, 12) działających na zasadzie wymnażania sygnału zmodulowanego C I, i C Q z sygnałem sinusoidalnym podnośnej f 0 = 3,58 MHz, wytworzonym przez generator lokalny (13). Sygnał generatora lokalnego jest doprowadzony do zgodności fazowej z oryginalną podnośną po stronie nadawczej za pomocą układu automatycznej regulacji fazy ARF (75), sterowanego impulsami burst wydzielonymi z sygnału CYXS. W procesie demodulacji sygnałów chrominancji C I i C Q, do demodulatora sygnałów C Q podaje się podnośną f 0 = 3,58 MHz przesuniętą w fazie o +90 w stosunku do fazy podnośnej f 0 = 3,58 MHZ, podawanej do demodulatora sygnału C I (identycznie jak w koderze). Na wyjściu demodulatorów otrzymuje się sygnały różnicowe Q i I, które wraz z sygnałem luminancji E' Y są podawane do macierzy dekodujących (17) w celu wytworzenia sygnałów różnicowych koloru. Otrzymane w ten sposób trzy sygnały różnicowe koloru sterują, przez siatki sterujące S, kineskop kolorowy. Jednocześnie sygnał luminancji o odwróconej fazie (-E' Y ) steruje połączone ze sobą trzy katody kineskopu kolorowego. Przed kineskopem sygnały różnicowe są wzmacniane przez wzmacniacze (18, 19, 20) do poziomu niezbędnego do wysterowania kineskopu (kilkadziesiąt V napięcia międzyszczytowego). Jest to jeden ze sposobów sterowania kineskopu kolorowego, w którym sam kineskop spełnia rolę dodatkowej macierzy dekodującej, co powoduje, że w rzeczywistości każda z trzech wyrzutni kineskopu jest sterowana jednym z sygnałów podstawowych koloru, np. strumień elektronowy wyrzutni czerwonej jest sterowany dwoma napięciami sygnałów, tj. napięciem sygnału (-E') podanym na katodę, tej wyrzutni i napięciem sygnału (E' R - E' Y ) podanym na siatkę sterującą tej wyrzutni. Gęstość strumienia tej wyrzutni, która zmienia się w takt zmian amplitud sterujących nią sygnałów, zależy od wypadkowego napięcia sygnałów między katodą a siatką S 1, tj. (U S1 - U kat ). Uwzględniając, że U S1 = (E' R - E' Y ), a U kat = -E Y otrzymamy sygnał sterujący strumieniem wyrzutni czerwonej, tj. (C S1 U kat ) = (E' R - E' Y ) -(- E' Y ) = E' R - E' Y + E' Y = E' R. Podobnie pozostałe dwie wyrzutnie są sterowane dwoma pozostałymi sygnałami E' G i E' B, tj. wyrzutnią zieloną steruje sygnał E' G, a niebieską E' B. Odchylaniem strumienia każdej wyrzutni kineskopu sterują układy odchylania strumienia synchronizowane z ruchami strumieni w lampie analizującej za pomocą układów