Глава 3

ВЕЩАТЕЛЬНОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ

ЦВЕТНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

3.1. Общие сведения

Цвет для человека является дополнительным средством распознавания окружающей обстановки, которая наполнена обширной палитрой цветовых оттенков. Цветное изображение имеет неоспоримые преимущества по сравнению с черно-белым: обладает большей художественной выразительностью, имеет лучшие четкость и разборчивость, передает более высокую определенность очертаний объекта, кажется объемным.

Ученые установили, что нормальное зрение человека способно распознавать до 180 цветовых оттенков. Казалось бы для передачи всей гаммы цветов нужен канал связи, обладающий в 180 раз большей пропускной способностью, чем обычный канал черно-белого изображения. Но это не так. Передача цветного изображения основывается на трехкомпонентной (трехцветной) теории зрения, которая позволяет обходиться трехкратным увеличением пропускной способности цветного канала по сравнению с черно-белым. Правильно выбрав три основных источника цвета: красный (R), зеленый (G) и синий (В), а затем, смешав их в определенных пропорциях, можно получить любой из цветовых оттенков. При этом достаточно передать только количественные соотношения основных цветов. Основные цвета не могут быть получены смешением любых цветов. Все цвета, которые называют дополнительными, формируются смешиванием только двух: голубой получается при смешивании зеленого и синего, желтый— красного и зеленого и т.п. Белый цвет получается смешиванием всех трех основных цветов в определенных пропорциях.

Глаз различает эти три основных цвета при наблюдении объектов относительно больших размеров (это связано с тем, что глаз человека содержит три воспринимающих аппарата с разной спектральной чувствительностью). При уменьшении размеров объекта достаточно только двух основных цветов, чтобы воспроизвести весь диапазон цветов, которые могут быть восприняты глазом. Очень мелкие детали глаз различает по изменению яркости, а не цвета, т.е. в черно-белом изображении.

Экспериментально установлено, что любой цвет F можно представить в виде следующего уравнения:

где R, G, В — основные цвета; r', g', b' — числа единиц основных цветов, т.е. координаты цвета; F — единичный цвет, полученный в результате смешения основных цветов; f’ — результирующий цвет.

Это уравнение подтверждает, что цвет является трехмерной величиной. Цвет можно представить точкой или вектором в пространственной системе координат, например, в системе RGB. Однако эта система неудобна для цветовых расчетов, В 1931 г. Международная комиссия по освещению (МКО) разработала международный метод определения цвета, с использованием системы единиц — колориметрическую систему XYZ. В этой системе цвет записывается уравнением:

 где — координаты цвета.

Цвет изображается точкой F или вектором, проведенным в эту точку из начала координат, а цветовое пространство представлено на рис. 3.1. Начало всех векторов лежит в точке черного цвета О. Y = const — плоскость постоянной яркости, в каждой точке которой заканчиваются векторы всех цветов, имеющих данную яркость.

Угловое положение вектора определяет качественную характеристику цвета, которая называется цветностью. Чтобы от цвета перейти к цветности, необходимо исключить количественную характеристику, т.е. заменить абсолютные значения координат на относительные, разделив их на сумму m, которая называется модулем цвета:

Безразмерные величины х, у, z называют трехцветными коэффициентами. Поскольку их сумма х + у + z = 1, то зная два из них, можно цветность представить двумерной величиной. Ее изображают точкой на плоскости, в частности на плоскости единичных цветов, проведенной через концы ортов 1Х,1Y,1Z (единичные векторы вдоль осей). Эта плоскости определяется уравнением х'+ у' + z' = 1, т.е. в ней для любого цвета координаты равны трехцветным коэффициентам. В единичной плоскости заканчиваются векторы всех единичных цветов, поэтому единичный цвет 1F = х_FХ + y_FY + z_FZ.

Следы пересечения единичной плоскости с координатными плоскостями образуют цветовой треугольник ХYZ, каждая точка на котором представляет определенную цветность. Линия пересечения единичной плоскости с поверхностью, охватывающей область реальных цветов в пространстве ХYZ показана на рис.3.2. Основные цвета системы RGB определяют установленные предельные значения длин волн цветов: красный  R (700 ммк), зеленый G (546,1 ммк) и синий G (546,1 ммк).

Глаз человека содержит три группы рецепторов, т.е. особых  светочувствительных клеток, связанных  с окончаниями нервных клеток, реагирующих на цвет. Первая группа чувствительна  к длинноволновой части спектра (красно-оранжевой), вторая  к средневолновой (зеленой) и третья – к коротковолновой (сине-фиолетовой). Попадающий в глаз свет раздражает одновременно три группы нервных окончаний, при этом совокупность трех различных возбуждений ощущаются одним цветом.

Треугольник XYZ является равносторонним, но удобнее пользоваться прямоугольным, поэтому его проецируют на плоскость XOY так, чтобы точка 1Z совпала с нулем. В результате получают широко используемую диаграмму цветности МКО (рис. 3.3).

Основные особенности этой диаграммы:

- координаты цветности (трехцветные коэффициенты) х и у образуют декартову систему координат;

- все реализуемые цвета заключены внутри фигуры, ограниченной подковообразной линией спектральных цветов и замыкающей ее прямой, на которой лежат пурпурные цвета — результат смешения в разных пропорциях крайних синего и красного спектральных цветов (рис. 3.4);

- на линии Ох расположены цвета с нулевой яркостью (у = 0), но это не означает, что координата у пропорциональна яркости, так как она определяет яркость лишь единичных цветов, векторы которых заканчиваются в единичной плоскости (у= Y);

- при переходе от системы RGB к XYZ сохраняется условию, что единичные цвета в равных количествах входят в равноэнергетический белый цвет Е, и точка Е лежит в центре тяжести треугольника (в ее окрестностях расположены цветности и других белых цветов, стандартизованных в колориметрии и телевидении: С — точка равносигнального белого, D₆₅ - точка с равными координатами белого и т.д.);

- точка, изображающая цветность смешивания двух цветов на диаграмме МКО, лежит на прямой, соединяющей точки цветностей слагаемых цветов, и делит отрезок между ними на части, о6ратно пропорциональные количествам (модулям) этих цветов.

Следовательно, любой цвет на диаграмме цветности может быть представлен в виде смеси спектрального цвета F_л с белым цветом F_б. Это позволяет представить систему определения цветности по параметрам насыщенности и цветовому тону, соответствующим субъективному восприятию человека.

Насыщенность — это признак цвета, выражающий степень отличия его от белого цвета той же яркости, и определяется чистотой цвета Р = F_л /(F_л + F_б). Насыщенность максимальна для спектральных и пурпурных цветов (P = 1) и минимальна для белою цвета (P = 0).

Цветовой тон является субъективно воспринимаемым признаком цвета, который позволяет отнести его по сходству к тому или иному спектральному или пурпурному цвету.

Если изобразить цветность на диаграмме вектором, проведенным из точки белого в данную точку, по его угловое положение определит цветовой тон, а длина — насыщенность.

Яркость является количественной мерой цвета, а с помощью цветового графика ее определить нельзя.

Таким образом, цвет можно представить в полярной системе координат, которую широко используют в цветном телевидении. Координаты цветов в ней зависят от выбора точки опорного белого цвета, причем в области малонасыщенных цветов эта зависимость очень велика.

Все современные радиовещательные системы цветного телевидения, находящиеся в эксплуатации, работают по методу одновременного сложения цветов.

В настоящее время в большинстве стран мира ведутся передачи телевизионных программ цветного изображения, хотя нельзя сказать, что вещательное телевидение черно-белого изображения уже ушло в прошлое. При разработке систем вещательного телевидения цветного изображения перед ведущими странами (США, Германия, Франция, CCCP) ставилась задача обеспечить совместимость существующего вещательного телевидения черно-белого изображения с разрабатываемыми системами цветного изображения:

- возможность приема сигнала цветного изображения на большой парк черно-белых телевизоров (прямая совместимость);

- возможность приема черно-белых передач на вновь создаваемый парк цветных телевизоров (обратная совместимость).

Следовательно, в совместимой системе цветного изображения должен быть сигнал, который формирует нормальное черно- белое изображение с правильной передачей градаций яркости цветного объекта в соответствии с чувствительностью человеческого зрения. Такой сигнал обычно называют сигналом яркости и обозначают Е'_Y, так как в системе МКО координата Y передает яркость.

Сигнал яркости может быть получен сложением всех трех сигналов основных цветов В, G и В, однако вследствие неодинаковой чувствительности глаза к различным цветам три напряжения, входящие в сигнал яркости, не должны быть равны между собой. Кривая спектральной чувствительности человеческого зрения (кривая видности К) приведена на рис. 3.5, а. Глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету (вернее к желто-зеленой области спектра), меньше — к красному и еще меньше — к синему. Это означает, что при одинаковой мощности цветовых потоков, попадающих в глаз, зеленый поток будет казаться более ярким по сравнению с красным, и синим, — соответственно почти в 2 и 6 раз ярче. Для формирования большей естественности и выразительности в системе вещательного телевидения черно-белого изображения необходимо учитывать это свойство зрения. Экспериментально было установлено, что при выбранных трех основных цветах (вершины треугольника RGB на цветном графике) относительное содержание В, G и В в яркостном сигнале соответствует уравнению:

Где  и— показатель гамма-коррекции сигналов. Значение  влияет не только на яркость, но и на цветность, определяющуюся соотношением сигналов основных цветов, которое не нарушается при . При  > 1 это соотношение нарушается в сторону увеличения разницы между сигналами, что ведет к росту насыщенности. Если  < 1, то разница между сигналами уменьшается и насыщенность падает. Для сквозного тракта  -показатель равен произведению показателей всех входящих в него звеньев:

где = 0,3...0,45 — гамма-показатель камеры; = 2,2...2,4— гамма-показатель кинескопа.

Для точного воспроизведения приведенной яркости необходимо обеспечить = 1, что может быть достигнуто подбором значения,  где — показатель гамма-коррекции.

Гамма-коррекция необходима для коррекции нелинейностей, вносимых, в числе прочих, и модуляционной характеристикой кинескопа (рис. 3.5, 6).

Информация о яркости должна полностью передаваться яркостным сигналом, что позволяет выявить следующие преимущества:

- помехи, возникающие в канале цветности, а также перекрестные помехи от яркостного канала вызывают лишь изменения цветности изображения, которые менее заметны для глаза, чем изменения яркости;

- ограничение полосы частот сигнала цветности не влияет на передачу резких границ и мелких деталей любого цвета с полной четкостью в черно-белом виде;

- в черно-белых телевизорах точно воспроизводится яркость оригинала.

Во всех современных совместимых системах задача устранения помех решается путем замены в полном цветовом телевизионном видеосигнале (ПЦТВ) сигналов основных цветов Е'_R и Е'_B цветоразностными сигналами Эти сигналы создаются в соответствующих матрицах передающего устройства путем вычитания сигнала яркости из цветового сигнала. Главной особенностью цветоразностных сигналов является то, что на белых и серых местах изображения они равны нулю:

При малых насыщенностях (слабой окраске) изображения цветоразностные сигналы также малы и не создают заметных помех.

Цветоразностные сигналы записываются следующими уравнениями:

Третий цветоразностный сигнал E'_G-Y c информацией о цветовом тоне и насыщенности составляющей G цветного изображения не передается, а формируется в матричной схеме телевизора из сигналов E^’_R-Y и E^’_B-Y

Формирование цветоразностных сигналов из сигналов основных цветов Е'_R Е'_G и Е'_B можно понять из рис. 3.6. Сигналы основных цветов в испытательных сигналах цветных полос задаются в форме прямоугольных импульсов и отличаются друг от друга по частоте. Сигналы зеленого цвета Е'_G передаются на основной частоте, красного E^’ _R — на двойной, а синего Е'_в — на четырехкратной частоте строчной развертки.

Каждый сигнал основных цветов при отсутствии двух других создает на экране изображения одноцветных полос, число которых зависит от соотношения между частотой прямоугольных импульсов данного цвета и частотой строк. Прямоугольные импульсы сигнала Е'_G которые передаются на основной строчной частоте, разделяют растр пополам: одна половина будет зеленая, а другая — черная. Прямоугольные импульсы сигнала Е'_R, передаваемые на двойной строчной частоте, создают две чередующиеся красные и черные полосы, а прямоугольные импульсы сигнала Е'_в, передаваемые на четырехкратной частоте — соответственно четыре чередующиеся синие и черные полосы. Сложение этих трех

составляющих формирует изображение вертикально расположенных волос, яркость которых уменьшается слева направо, начиная с белой полосы (Е'_R+Е'_G + Е'_B). Далее идут желтая полоса (Е'_R + Е'_G), голубая (E^’_G+E^’_B), зеленая (Е'_G), пурпурная (Е'_R + Е'_B), красная (Е'_R), синяя (E^’_B) черная (Е'_R = Е'_G = Е'_B).

Если сложить основные сигналы Е'_R+Е'_G и Е'_B в пропорциях, определяющих структуру сигнала кости, то получится сигнал, сеющий ступенчатую форму, при котором на экране воспроизводится серая шкала. Форма красного цветоразностного сигнала E^’_R-Y  формируется вычитанием из сигала прямоугольной формы Е'_R ступенчатого сигнала Е'_у. Аналогично формируется и сигнал E^’_B-Y. Характерным для цветоразностных сигналов является то, что они имеют положительные и отрицательные уровни.

Для количественной оценки отношений сигналов их уровни приведены в относительных единицах, при этом уровень 0 соответствует запиранию кинескопа, а уровень 1 — максимальной яркости свечения в каждом цвете. Знак минус показывает, что данный сигнал подается на матрицу в отрицательной полярности.

В телевизоре с помощью соответствующих матриц цветоразностные сигналы вновь преобразуются в сигналы основных цветов:

Испытательные сигналы цветных полос в цветном телевидении применяются для расчета, нормирования и проверки параметров тракта изображения.

Еще одним необходимым требованием совместимости систем цветного и черно-белого изображений является использование стандартного канала с полосой частот 4...6 МГц для передачи сигналов цветного изображения.

Свойство зрительного восприятия мелких деталей без окраски позволило в полосе видеочастот передавать лишь яркостной сигнал Е'_у. Экспериментально было установлено, что очень мелев детали изображения размером до 1,5 мм лежат в диапазоне 3...6 МГц, мелкие размером 1,5...3,5 мм — в диапазоне 1...3 МГц, средние — в диапазоне 0,5...1 МГц. Одновременно подтверждается, что с уменьшением размеров наблюдаемых цветных деталей их видимая насыщенность становится меньше: насыщенные с синей окраской на частотах 0,5...0,6 МГц практически становятся черными, с красной окраской на частотах 1,4...1,6 МГц становятся бесцветными, а с зеленой окраской в диапазоне частот 0,5...6 МГц сохраняют видимую насыщенность.

При потере видимой насыщенности мелкие детали теряют различимость: с синей окраской в диапазоне свыше 0,6...0,8 МГц сливаются в сплошной серый фон, с красной окраской в диапазоне, до1,6...1,8 МГц — в бесцветный, а для деталей с зеленой окраской разрешающая способность глаза максимальна.

Спектр сигнала яркости Е'_у благодаря развертке дискретен и имеет линейчатую структуру (рис. 3.7, а). При передаче изображения методом чересстрочной развертки с длительностями поля Т_П  и кадра Т_К видеосигнал является функцией времени с периодом Т_К и содержит гармоники с частотой кадров. Во всем диапазоне частот составляющие спектра не заполняют всю ось частот, а группируются вокруг гармоник с частотами строк и кадров. Это позволяет в промежутках между кадровыми гармониками спектра ... nf_К, (n+ 1)f_К ... яркостного сигнала Е'_у поместить гармоники спектров цветоразностных сигналов E^’_R-Y и E^’_B-Y и тем самым уплотнить полный спектр сигналов цветного телевидения. Их спектр тоже имеет линейчатый характер, но занимает значительно меньшую по сравнению с сигналом Е'_у полосу частот. Для выполнения этого условия частоты каждой из поднесущих (объяснение термина см. в приложении 4) должны быть кратными нечетному числу полупериодов строчной развертки.

Взаимное положение гармоник яркостного сигнала (отрезе прямых) и способ уплотнения спектра (волнистые линии) при размещении в нем составляющих поднесущей сигнала E^’_R-Y условно показано на рис. 3.7, б.

При подвижном изображении спектр сигнала становится менее дискретным, так как создаются новые составляющие, что ведет к появлению некоторой энергии на частотах вблизи гармоник частот строк и кадров. В сравнительно свободные от энергии участки спектра сигнала яркости, находящиеся между гармониками частоты строк, можно поместить два поднесущих колебания, каждое из которых модулировано одним из сигналов цветности.

При использовании двух поднесущих колебаний с разными частотами могут возникнуть биения, которые будут создавать помеху на выходе детектора приемника. Кроме того, в такой системе большая часть спектра сигнала яркости занята сигналом цветности и на экранах приемников черно-белого изображения появятся помехи от сигналов цветности. В связи с этим для передачи двух сигналов цветности используют одну цветовую поднесущую. Наиболее эффективны два метода передачи информации о цветности:

- метод квадратурной модуляции двумя сигналами цветности (системы NTSC и PAL);

- метод поочередной частотной модуляции двумя сигналами цветности с чередованием по строкам (система SECAM) и запоминание сигнала цветности в приемнике с помощью линии задержки на одну строку, чтобы получить одновременно два сигнала цветности.

Условно спектр с уплотнением сигнала яркости сигналами цветности показан на рис. 3.7, б. Сигнал системы цветного изображения с таким спектром может быть принят телевизором черно-белого изображения. Цветовые сигналы R и В, находящиеся внутри спектра яркостного сигнала, не будут видны на экране, так как по амплитуде они значительно меньше. Кроме того, наличие в четном и нечетном кадрах помех изображения полупериодов строки приводит к тому, что от кадра к кадру сигнал с частотой f(R) будет на изображении менять фазу на 180 град, т.е. его положительные полуволны, соответствующие белому цвету, будут заменяться в следующем кадре отрицательными, соответствующими черному цвету, что позволяет в зрительном восприятии компенсировать возникшие помехи.

3.2. Стандарты с системой цветности SECAM

Разработка системы цветного изображения ВЕСАМ была предложена в 1954 г. французскими специалистами во главе с Анри де Франсом. В этой системе, первоначально называемой по имени автора, вместо яркостного сигнала передавались чередующие от строки к строке сигналы основных цветов E'_R  и Е'_G, а третий Е'_B передавался на цветовой поднесущей в узкой полосе частот. Однако из-за ряда недостатков эта система не нашла практического применения, а работы по ее усовершенствованию были продолжены.

В течение 1956-1957 гг. французские специалисты разработали новый вариант системы цветного изображения, который положил начало новому семейству систем под названием «Sequence de Couleurs Ачес Memoire» (SECAM), что означает «поочередность цветов с памятью». С 1959 г. система цветного изображения SECAM была признана как одна из перспективных систем вещательного телевидения, но длительное время подвергалась доpaботкам и усовершенствованиям. Первоначально в этой системе передавался яркостной сигнал Е'_у, сигналы E'_R  и Е'_B передавались поочередно на цветовой поднесущей с использованием амплитудной модуляции. В дальнейшем вместо основных сигналов E'_R  и Е'_B  стали применять цветоразностные сигналы E'_R-Y и E'_B-Y.

В 1960 — 1961 гг. в системе SECAM применили частотную модуляцию цветовой поднесущей цветоразностными сигналами, что привело к значительному улучшению качественных показателей. 8 течение 1965 — 1967 гг. совместные работы российских и французских специалистов завершились выбором параметров системы SECAM, принятых в качестве стандартных. Эту стандартную совместную систему цветного изображения стали называть SRCAM-ІІІ. Она была принята в России в середине 1966 г,, а во Франции — в начале 1967 г. В 1967 г. были начаты регулярные передачи вещательного телевидения цветного изображения по системе SECAM одновременно в России и Франции. В настоящее время вещательное телевидение цветного изображения по системе SECAM широко применяется в ряде стран Европы, Азии и Африки.

Главной особенностью системы ВЕСАМ является то, что в каждой строке изображения передается только один сигнал цветности на цветовой поднесущей, а в приемнике этот сигнал воспроизводится в течение двух строк. Например, в строке номер 2n передается сигнал E'_R-Y. В приемнике в это время действуют два сигнала — E'_R-Y и E'_B-Y. переданные во время развертки предыдущей строки 2n-1 и задержанные с помощью линии задержали с длительностью, равной длительности одной строки Н. В строке номер 2n+1 передается сигнал E^’_R-Y, а в приемнике в это время действуют два сигнала — E^’_R-Y и E^’_B-Y переданные во время развертки предыдущей строки номер 2п. Наличие в приемнике одновременно двух сигналов необходимо для получения из них третьего цветоразностного сигнала E^’_G-Y. Ввиду того, что передаваемые сигналы E^’_R-Y и E^’_B-Y чередуются с частотой строк, размер цветного элемента по вертикали равен удвоенной высоте составляющей строки, т.е. цветовая четкость по вертикали равна половине числа строк развертки. Однако потерю информации о цветности по вертикали глаз ощущает не как потерю цветовой четкости, а как мерцание яркости на отдельных участках изображения, содержащих горизонтальные границы между различными насыщенными цветами, так как разрешающая способность зрения к изменению цветности в среднем в 4 раза меньше, чем к изменению яркости.

Для повышения помехоустойчивости в системе SECAM применяется частотная модуляция цветовой поднесущей сигналами цветности. В этом случае на качество изображения в приемнике меньше влияют изменения амплитуды сигнала цветности, вызванные изменениями АЧХ и коэффициента усиления тракта. При передаче информации о цветности в системе SECAM используется мгновенное значение частоты колебаний поднесущей, а не их фаза, поэтому фазовые искажения в тракте не влияют на цветность крупных участков изображения и только при быстрых изменениях фазы сигнала цветности на цветовой поднесущей создаются искажения мгновенной частоты, приводящие к искажениям цветности на границах переходов в приемнике. Следовательно, мгновенная частота колебаний поднесущей, в отличие от амплитуды и фазы, мало подвержена искажениям в тракте передачи и приема, из-за чего частотная модуляция цветовой поднесущей сигналами цветности обеспечивает весьма высокую устойчивость цветности изображения в приемнике. Способ передачи сигналов в системе SECAM можно понять из рис. 3.8, а. В радиопередатчике сигналы основных цветов Е'_R+Е'_G и Е'_B  после усиления и у-коррекции в трехтрубочной камере 1 поступают на вход матрицы 2, где из них формируются сигнал яркости Е'_у и цветоразностные сигналы E^’_R-Y и E^’_B-Y. Каждый из цветоразностных сигналов связан с одним из входов электронного коммутатора 3, который переключает с полустрочной частотой цветоразностные сигналы на вход частотно-модулированного генератора 4. Полученная последовательность сигналов цветности в сумматоре 5 смешивается с сигналом яркости Е'_у для образования ПЦТВ.

В приемнике (рис. 3.8, б) ПЦТВ с выхода амплитудного детектора 1 поступает в каналы яркости 3 и цветности 2. Для получения из двух последовательно следующих сигналов, действующих одновременно, установлена линия задержки 4. Так как сигналы не входе и выходе линии задержки периодически меняются местами, возникает необходимость в электронном переключении сигналов таким образом, чтобы на вход детектора формирования красного цветоразностного сигнала 6 всегда попадал сигнал E'_R-Y , а на вход детектора формирования синего сигнала 7 — сигнал E'_B-Y. Электронный коммутатор 5 производит такое переключение синхронно с коммутатором передатчика. С выходов детекторов сигналов цветности 6 и 7 цветоразностные сигналы поступают на матрицу 8, где формируется зеленый цветоразностный сигнал E^’_G-Y

В 1974 г. параметры системы цветного изображения SЕСАМ в России были стандартизованы и определены ГОСТ 19432-74 «Телевидение цветное. Основные параметры системы телевизионного вещания». Система SЕСАМ совместима с системой вещательного телевидения черно-белого изображения стандартов D/К, поэтому целый ряд основных характеристик и параметров, которые были изложены в предыдущей главе, автоматически распространяются на систему цветного изображения SECAM. В настоящее время система вещательного телевидения России определена ГОСТ 7845 — 92 «Система вещательного телевидения. Основные параметры. Методы измерений», поэтому параметры, являющиеся общими для систем цветного и черно-белого вещательного телевидения, не будут рассматриваться. На основании требований ГОСТ 7845 — 92 сигнал цветного изображения образуется из сигналов яркости, цветности и цветовой синхронизации (опознавания строк). Спектр частот сигнала цветности должен размещаться в пределах спектра частот сигнала яркости. Полный цветовой телевизионный видеосигнал образуется посредством дополнения сигнала цветного изображения сигналами синхронизации строк и полей, гасящих импульсов строк и полей, уравнивающих импульсов. Взаимное расположение гасящих и синхронизирующих импульсов строк и полей, а также уравнивающих импульсов согласовано стандартом D/К.

Нумерация строк в кадре последовательная от 1 до 625, начиная от начала О_v первого поля.

Неотъемлемой частью ПЦТВ являются измерительные сигналы испытательных строк (сигналы I — IV) и сигнал опознавания места ввода этих сигналов (сигнал V). Параметры сигналов I — IV должны соответствовать ГОСТ 18471 — 83. Сигналы I — V вводятся в строки с номерами соответственно 17, 18, 330, 331 и 16.

Строки с номерами 19, 20, 21, 329, 332-334 используются для передачи измерительных сигналов, предназначенных для контроля отдельных звеньев трактов, и дополнительной информации, а при большом объеме информации — за счет использования строк с номерами 318 и 319.

Строки с номерами 22 и 335 предназначены для измерения отношения сигнал — шум, а строка 6 — для передачи эталонных сигналов частоты и времени (ЭСЧВ).

Формирование сигналов яркости черно-белого изображения производится с предварительной у-коррекцией, при которой показатель у-характеристики передачи уровней яркости тракта изображения приблизительно равен 1,2 (номинальное значение показателя у-модуляционной характеристики черно-белого кинескопа принято равным 2,8).

Формирование сигналов яркости цветного изображения производится согласно выражению:

где Е'_R+Е'_G и Е'_B  — подвергнутые предварительной у-коррекции для обеспечения оптимального качества изображения на экране цветного кинескопа с у = 2,8. Сигналы основных цветов пропорциональны соответственно цветовым координатам R,G,B  передаваемого цвета в цветовой системе, определяемой основными цветами и опорным белым (для которого R = G = В), координаты, цветности которых в колориметрической системе МКО таковы:

красный (R): х = 0,640, у = 0,330;

зеленый (G): х = 0,290, у = 0,600;

синий (В): х = 0,150, у = 0,060;

белый Des: х = 0,313, у = 0,329.

Полярность сигнала яркости — положительная. Номинальная полоса частот сигнала яркости — 0...6 МГц. Формирование цветоразностных сигналов производится согласно выражениям:

Коэффициенты выбраны с учетом получения одинаковые полярности и размаха обоих цветоразностных сигналов для наиболее часто встречающихся цветов. При этом при передаче обоих сигналов D'_R и D'_B будет преобладать отрицательная девиация частоты, при которой искажения сигналов цветности из-за ограничения верхней боковой полосы уменьшаются, а экстремальные значения девиации частоты становятся одинаковыми.

Сигналы цветности формируются посредством частотной модуляции цветовых поднесущих с построчным чередованием:

- в строках с номерами 23 — 310 и 336 — 623 включительно предыскаженными цветоразностными сигналами D'_R* (красная строка) и D'_B* (синяя строка);

- в строках с номерами 7 — 15 и 320 — 328 включительно модулирующими сигналами полевой цветовой синхронизации S_R (красная строка) и S_B (синяя строка).

Чередование красных и синих строк — непрерывное с периодом, равным двум периодам кадров, при этом нечетным считается кадр, в котором первая строка красная.

Сигналы цветности передаются на частотах выше несущей частоты изображения, и при отсутствии модуляции (частоты покоя) имеют следующие номинальные значения в строках:

Полоса частот, используемая для передачи сигналов цветности, занимает участок частотной характеристики 3,90...4,75 МГц, из-за чего создаваемые ими помехи оказываются менее заметными (рис. 3.9). Уменьшению помех способствует и то, что размах поднесущих с частотами f _0R и f _0B, в составляет (232,5)% размаха сигнала яркости от уровня черного до уровня белого.

При модулирующем сигнале, равном единице, девиации частот Цветовых поднесущих имеют следующие значения в строках:

При модулирующих сигналах, соответствующих уровням ограничения, максимальные девиации частот цветовых поднесущих имеют следующие значения в строках:

Сигналы цветности в процессе формирования подвергаются низкочастотным и высокочастотным предыскажениям. Это связано с тем, что при частотной модуляции уменьшается энергия в сигнале по мере увеличения девиации частоты. Для улучшения помехозащищенности и сохранения энергии сигнала на одном и том же уровне увеличиваются девиации частоты и амплитуды сигнала введением НЧ и ВЧ предыскажений. При НЧ предыскажениях сигналы D'_R и D'_B до того, как они модулируют цветовые поднесущие, пропускаются через устройство, усиление которого зависит от частоты. Полоса частот модулирующих сигналов цветовых поднесущих ограничивается фильтром НЧ с номинальной АЧХ К(1), вносящим ослабление не более 3 дБ на частоте 1,3 МГци менее 30 дБ на частоте 3,5 МГц.

Номинальная АЧХ цепи НЧ предыскажений цветоразност. ных сигналов

Допускаемые отклонения результирующей АЧХ цепей НЧ фильтрации и предыскажений цветоразностных сигналов от номинальной K(f) х А₁(f), определяемой рис. 3.10 и табл. 3.1:

            Для цепи ВЧ предыскажений сигнала цветности номинальная АЧХ:

Максимальное отклонение частоты f₀ от номинальной не должно превышать 20 кГц. Номинальная АЧХ цепи ВЧ предыскажений сигнала цветности приведена на рис. 3.11, а в табл. 3.2 даны значения частот, амплитуд и цвета полос испытательного сигнала.

Допускаемые отклонения АЧХ цепи ВЧ предыскажений сигнала цветности от номинальной не должны превышать ±0,5 дБ, кроме значения в точке f = f₀.

Значения изменений фазы цветовой поднесущей (в начале каждой строки):

по строкам ... 0, 0, 180, 0, 0, 180⁰ и т.д. или 0, 0, 0, 180, 180, 180⁰ и т.д.

по полям ... 0, 180, 0, 180, 0, 180⁰ и т д.

Сигнал цветности гасится на гасящих импульсах полей, кроме строк с номерами 7 — 15 и 320-328 включительно, и на гасящих импульсах строк в интервалах с (между фронтами гасящего и синхронизирующего импульсов строк — 1,5±0,3 мкс) и i (от фронта синхронизирующего импульса строк до начала немодулиронгных цветовых поднесущих — 5,6±0,2 мкс).

На рис. 3.12 показаны формы ПЦТВ системы SECAM в двух смежных строках (D'_R и D'_B) при передаче испытательных сигнал цветных полос 75%-ной яркости по ГОСТ 19432 — 74, а в табл. 3.3 параметры этого сигнала для каждого цвета полосы.

Сигналы опознавания (цветовой синхронизации)

Для правильной работы коммутатора в приемнике (синфазно с передающим) в ПЦТВ вводятся специальные сигналы опознавания (сигналы цветовой синхронизации). В системе SECAM эти сигналы передаются с частотой полукадров, после окончания уравнивающих импульсов, следующих после импульса кадровой синхронизации. Сигналы опознавания формируются в кодирующем устройстве в виде серии из девяти импульсов трапецеидальной формы (рис. 3.13, а). Эти импульсы имеют длительность строки Н (64 мкс). Полярность сигналов опознавания выбрана такой, что во время передачи строк, соответствующих цветоразностному сигналу D'_R, сигнал имеет положительную полярность, а соответствующих сигналу D'_B — отрицательную. Сигналы опознавании передаются в ПЦТВ в течение длительности девяти строя обратного хода по кадрам — на строках 7 — 15 первого поля и на строках 320 — 328 второго (рис. 3.13, 6).

            В современных телевизорах этот сигнал цветовой синхронизации не используют, а используют колебания немодулированной поднесущей, следующие после строчных синхроимпульсов.

Электронный коммутатор кодирующего устройства, переключаясь от строки к строке, пропускает на выход попеременно сигналы E'_R-Y и E'_B-Y. Во время передачи кадровых гасящих импульсов коммутатор продолжает работать и на его выход проходят по очереди импульсы опознавания цвета, то положительной, то отрицательной полярности.

Частоты сигналов опознавания меняются для строки D 4,406...4,756 МГц и остаются такими же на время прохождения плоской части модулирующего трапецеидального импульса, для строки D'B — 4,250...3,900 МГц.

Кодирующее устройство

Кодирующее устройство в системе SЕСАМ (рис. 3.14) предназначено для формирования ПЦТВ. Оно состоит из каналов яркости и цветности.

Сигналы цветоделенных изображений Е'_R,Е'_G, Е'_B, которые прошли у-коррекцию, с выхода передающей камеры 1 поступают на кодирующую матрицу 2, формирующую сигналы яркости Е'_Y и два цветоразностных сигнала E'_R-Y и E'_B-Y. В сумматоре 3 в Е'_Y

замешиваются строчные и кадровые синхроимпульсы, затем этот сигнал поступает на линию задержки 4 и через усилитель 5 на сумматор 6. Задержка сигнала яркости Е'_Y на время, равное примерно 1 мкс, необходима для совмещения с сигналами цветности, которые, следуя по более узкополосному, чем сигнал Е'_y, каналу, затрачивают на прохождение пути от кодирующей матрицы до суммирующего устройства 6 большее время, чем сигнал яркости.

На выходе матрицы 2 в цепь прохождения сигналов E^’_R-Y и E^’_B-Y включены две дополнительные матрицы 7 и 8, на выходах которые формируются соответственно сигналы.

Далее сигналы D^’_R и D^’_B проходят через фильтры низкочастотных предыскажений 9 и 10. В смесительных каскадах 11 и 12 в сигналы D'_R и D'_B замешиваются сигналы опознавания (цветовой синхронизации). Ограничители 13 и 14 срезают пики напряжений, возникшие в результате действия фильтров НЧ предыскажений, так как эти пики могут вызывать чрезмерную девиацию частоты поднесущей и расширить полосы сигналов цветности, что ухудшает совместимость, т.е. делает более заметными помехи на экране телевизора. Затем цветоразностные сигналы поступают на электронный коммутатор 15, который с помощью симметричного триггepa 16, работающего на полустрочной частоте, коммутирует поочередно через строку цветоразностные сигналы на генератор 17, где происходит частотная модуляция поднесущих сигналами D'_R и D'_B, соответственно автоматически перестраивается генератор с частоты 4250 на 4406 МГц.

Частотно-модулированные сигналы цветности проходят фильтр высокочастотных предыскажений 19 и далее поступают на смесительный каскад 6, в котором заканчивается формирование ПЦТВ.

Тракт вещательного телевидения

Параметры канала изображения тракта вещательного телевидения во всех точках соединения отдельных звеньев по видеочастоте должны удовлетворять следующим требованиям:

• входные и выходные цепи каналов изображения звеньев должны быть несимметричны относительно земли и рассчитаны на подключение коаксиального кабеля;

• номинальные значения входных и выходных сопротивлений звеньев канала изображения должны быть равны 75 Ом при затухании несогласованности не менее 30 дБ в полосе частот 0...6 МГц;

• любая постоянная составляющая, не связанная с сигналом яркости, не должна выделять на номинальном входном сопротивлении мощности более 0,1 Вт (при отключении нагрузки абсолютное значение напряжения этой составляющей не должно превышать 5 В).

Радиосигнал вещательного телевидения

Радиосигнал вещательного телевидения цветного изображения системы SECAM стандартов D, К полностью соответствует требованиям вещательного телевидения черно-белого изображения. Основные параметры радиосигнала вещательного телевидения системы SECAM приведены в табл. 3.4.

            В системе вещательного телевидения цветного изображения SЕСАМ в различных странах мира ведутся передачи на стандартах В, G, D, К, К1, Н, L. Основные особенности действующих стандартов, использующих систему SECAM в различных странах, приведены в табл. 3.5.

3.3. Стандарты с системой цветности NTSC

Система вещательного телевидения цветного изображения NTSC (National Television System Committee (Национальный комитет телевизионных систем), которая стала первой в мире нашедшей практическое применение в цветном телевидении, была разработана ведущими американскими специалистами. В основу системы были заложены разработки специалистов фирм RCA, Philco и Hazeltine Electrical Corporation. Уже в 1953 г. принципы создания и основные параметры системы были утверждены в качестве национального стандарта США Федеральной Комиссией Связи. С 1954 г. начались регулярные телевизионные передачи по системе NTSC в США, а позднее в Канаде, Японии и ряде стран Центральной и Южной Америки.

В систему NTSC вошли основные принципы передачи цветного изображения, которые были использованы во всех последующих системах.

В данной системе ПЦТВ в каждой строке содержит составляющую яркости Е'_Y и сигнал цветности, передаваемый с помощью только одной поднесущей, лежащей в полосе частот сигнала яркости. Поднесущая промодулирована двумя цветоразностными сигналами E'_R-Y и E'_B-Y, а чтобы эти сигналы не создавали взаимных помех применена квадратурная балансная (амплитудно-фазовая) модуляция.

Метод квадратурной модуляции нагляднее поясняется на векторной диаграмме, приведенной на рис. 3.15, где показаны две квадратурные (сдвинутые на 90 град) составляющие сигнала цветности (модуляция синусоидой).

Результирующее колебание (сигнал цветности О) имеет как амплитудную, так и фазовую модуляции и может быть представлено при модуляции синусоидальным сигналом в следующем виде:

Такой сигнал цветности U_C, имеет как две независимые квадратурные составляющие, так и одну поднесущую с амплитудное фазовой модуляцией.

Разделение сигналов в приемнике основано на фазовой селекции и осуществляется путем синхронного детектирования. Ввиду того, что цветоразностные сигналы можно представить как  то разделение сигналов как бы является операцией проецирования вектора О, на две ортогональные оси. Следовательно, в приемнике необходимо иметь информацию о фазе одной из осей. Ее передает сигнал цветовой синхронизации (так называемая вспышка), который содержит пакет колебаний поднесущей круговой частоты  с опорной фазой  = 180 град, расположенной на задней площадке строчного гасящего импульса. За опорную фазу принята фаза модулированного сигнала — U_B-Y. Выделенная из сигнал цветности путем стробирования вспышка

управляет частотой и фазой генератора опорной поднесущей в приемнике. Компоненты этой поднесущей с фазами 0 и 90 град умножаются на сигнал цветности U_C в двух синхронных детекторах, на выходе которых выделяются компоненты сигнала цветности, совпадающие по фазе с опорной поднесущей.

Фазовая селекция, осуществляемая синхронным детектором, состоит не в выделении компоненты, совпадающей по фазе с опорной поднесущей, а в подавлении компоненты, сдвинутой по отношению к ней на 90 град (проекция на квадратурную ось равна нулю), поэтому разделение двух сигналов возможно не только в квадратуре, но и при любом угле  между модулированными компонентами, кроме 0 град. Однако амплитуда полезного сигнала на выходе синхронного детектора будет пропорциональна sin (рис. 3.16).

Особенностью квадратурной модуляции является необходимость передачи поднесущей в двух полосах. Лишь при симметрии верхней и нижней боковых частот каждого сигнала векторы U_R-Y и U_B-Y занимают фиксированное положение. Если ослабить одну из составляющих полос, то векторы приобретают паразитную фазовую модуляцию. Каждый из них начинает проецироваться на обе оси, создавая перекрестные искажения. Их уровень определяется коэффициентом

При одинаковых передаваемых сигналах Практически считаются допустимыми перекрестные искажения на весь тракт, включая приемник, при фазовой ошибке в пределах 10...12 град с коэффициентом К = 17...20%.

Однако, если полосы частот двух сигналов разнятся, то необязательно передавать составляющие обеих боковых полос широкополосного сигнала. Если одна боковая полоса имеет ширину  а другая —  то общая полоса будет . При наличии в области частот, где в спектре есть оба сигнала, будут передаваться составляющие обеих боковых полос, а в области, где остается спектр лишь одного сигнала, — одна.

Эта возможность используется в системе NTSC. Экспериментально установлено, что наилучшие результаты получены при использовании разнополосных сигналов при повороте поднесущей на 33 град от оси, соответствующей сигналу U'_в . При этом вместо стандартных осей цветоразностных сигналов были выбраны новые оси этих сигналовI и Q, которые условно показаны на векторной диаграмме рис. 3.17 и находятся под углом 90 град друг к другу, т.е. взаимно перпендикулярны.

Сигнал цветности системы NTSC формируется после выполнения у-коррекции и имеет коэффициенты компрессии К_R и К_B, которые уменьшают его размах для обеспечения совместимости, т.е. обеспечивают отсутствие поднесущей на неокрашенных участках изображения. Следовательно, сигнал цветности может быть представлен в следующем виде:

При сопоставлении диаграмм сигнала цветности (рис. 3.18, а, б) с диаграммой цветности МКО (рис. 3.19), выяснено, что началом векторной диаграммы является точка белого цвета С. Следовательно, амплитуда вектора сигнала цветности определяет насыщенность, а фаза — цветовой тон передаваемого цвета. Пользуясь сеткой относительных значений цветоразностных сигналов, представленной на рис. 3.20, можно рассчитать значения U_R-Y и U_B-Y и найти амплитуды и фазы сигнала цветности.

Линии постоянных значений амплитуды (на единицу U_y) и фазы на диаграмме МКО приведены на рис. 3.19. Эти координаты сетки позволяют определить, что основные цвета приемника R, G и В передаются фазовыми углами соответственно 103, 241 и 347 град, а наибольшую насыщенность имеет синий основной цвет (U_c/Uу =4).

Положение оси I на диаграмме МКО определено экспериментально как положение линии, проходящей через цветности, для которых человеческое зрение имеет наибольшую разрешающую способность. Эта ось пройдет под углом 123 град, т.е. опережает на 33 град ось R — Y. Положение второй оси Q не столь критично, поэтому ее выбирают из условия сохранения квадратуры, т.е. ось Q проходит под углом 33 град.

Спектр ПЦТВ системы NTSC (рис. 3.21) равен U_M = U'_y + U'_I соs ( + 33⁰) + U'_Q sin ( + 33⁰) — U₀ sin , где U₀ — амплитуда вспышки.

            Исходя из изложенного, составные компоненты сигнала цветности могут быть представлены следующими выражениями:

Экспериментально определено, что при уменьшении размеров цветных деталей не только уменьшается их насыщенность, но несколько изменяется субъективно видимый цветовой тон. Например, мелкие красные и желтые детали кажутся оранжевыми, синие и зеленые — сине-зелеными. Вектор I проходит через оранжевую и сине-зеленую области и сигнал U'_I передает цветовые тона мелких деталей. Вместе с вектором Q обеспечивается передача всех цветов на крупных деталях.

Цвет крупных деталей передается двумя боковыми полосами обоих сигналов цветности (0...0,5) МГц относительно цветовой поднесущей. Однако на более мелких деталях (до границы 1,4 МГц) остается только нижняя боковая полоса сигнала I; верхняя боковая полоса от 0,5 МГц и выше подавлена. Один сигнал передает только оранжевые и зелено-синие цвета. Следовательно, крупные детали до 0,5 МГц передаются во всех трех основных цветах, более мелкие до 1,4 МГц — только в двух, а еще более мелкие — бесцветными.

Сигналы цветовой синхронизации в системе NTSC представляют собой серию колебаний цветовой поднесущей (8 — 10 периодов) с фазой 180 град, модулированной по амплитуде прямоугольными импульсами с периодом 2Н и со скважностью около 0,04 (b/ Н = 2,5/64, где b — длительность вспышки 2,5 мкс). Спектр вспышки состоит из синусоидальных колебаний с частотой f₀ и боковых колебаний с интервалами по частоте строки f_стр. В каждом поле имеется интервал длительностью 9Н, в течение которого цветовые вспышки не передаются, т.е. спектр вспышки содержит и гармоники частоты полей, но их амплитуда очень мала. В течение 9Н передаются уравнивающие импульсы и кадровые синхроимпульсы на кадровом гасящем импульсе. Расположение импульсов цветовой синхронизации (сигнала вспышки) в сигнале NTSC показано на рис. 3.22.

Для неискаженной передачи сигнала вспышки необходим канал с полосой частот ±450кГц (3,15...4,05 МГц), пропускающий примерно по 30 боковых колебаний, т.е. гармоник строчной частоты в обе стороны от f0.

Заполняющая сигнал цветовой вспышки поднесущая U_цв, = U_цв, sin ( + 180⁰).

При кодировании сигнала изображения используются сигналы основных цветов R, G и В. Получается ПЦТВ системы NTSC в кодирующем устройстве, упрощенная структурная схема которого показана на рис. 3.23. На вход матрицы поступают видеосигналы Е'_R, Е'_G , Е'_B, которые на выходе преобразуются в сигнал яркости Е'_у и сигналы цветности Е_I^’, Е'_Q Значение у-коррекции для кодирующего устройства принято равным 2,2. Матричные схемы для сигналов цветности рассчитываются, исходя из следующих выражений:

Фильтры нижних частот ФНЧ1 и ФНЧ2 ограничивают полосы пропускания сигнала Е'_I до 1,3 МГц, а сигнала Е'_Q — до 0,5 МГц. Линии задержки Л31 и Л32 обеспечивают совпадение фронтов всех трех сигналов. Стабилизированный кварцевым резонатором генератор цветовой поднесущей Г формирует синусоидальный сигнал с частотой f₀ = 3,579545 МГц. Заметность цветовой поднесущей получается минимальной, когда частота ее равна нечетной кратной полустрочной частоте:  Следовательно, строчные импульсы получаются путем многократного деления частоты f₀ сигнала, фаза которого совпадает с отрицательным направлением оси U_B-Y. Сигнал цветовой поднесущей подается на один вход балансного модулятора БМ1, а на второй его вход подается сигнал Е'_I, который идет через фазовращатель ФВ1, создающий сдвиг фазы 57 град в сторону отставания. На балансный модулятор БМ2 сигнала U'_Q поднесущая поступает через дополнительный фазовращатель ФВ2, сдвигающий фазу на 90 град. Составляющие U'_I и U'_Q, снимаемые с выходов балансных модуляторов, складываются в сумматоре С1. Далее сигнал цветности в сумматоре С2 складывается с сигналом яркости Е'_Y, куда через ключевой каскад К, открываемый стробирующими импульсами, подается сигнал цветовой синхронизации (сигнал вспышки) цветовой поднесущей. С выхода сумматора С2 на модулятор передатчика ПЦТВ передается через фильтр ФНЧЗ (на рис. 3.23 не показан). Сигнал Е'_Q создает на выходе фильтра ФНЧЗ (фильтр пропускает полосу частот 0...4,18 МГц) верхнюю и нижнюю боковые полосы колебаний шириной по 0,6 МГц, а сигнал Е'_I — верхнюю боковую полосу колебаний шириной 0,6 МГц и нижнюю — шириной 1,3 МГц. В результате спектр частот 0,6...1,3 МГц сигнала Е'_I, необходимый для воспроизведения достаточно малых окрашенных участков передаваемого объекта изображения, передается только нижней боковой полосой частот Е'_I. Сигнал Е'_Qэтих частот в спектре не имеет.

Основные параметры стандартов с системой NTSC приведены в табл. 3.6.

3.4. Стандарты с системой цветности PAL

Система вещательного телевидения цветного изображения PAL была разработана в 1963 г. немецкими специалистами фирмы TELEFUNKEN под руководством В. Бруха. Название системы составлено из первых букв слов английской фразы «Phase Alternation Line», означающей «чередование фазы строки». Основные параметры и характеристики системы PAL разрабатывались вплоть до 1966 г., когда она была принята в качестве стандартной системы вещательного телевидения цветного изображения в Германии, Великобритании и ряде других стран Западной Европы, Азии, Африки и Южной Америки. Целью разработки системы PAL стала необходимость устранить основной недостаток системы вещательного телевидения цветного изображения NTSC — чувствительность к дифференциально-фазовым искажениям.

В системе цветного изображения PAL, как и в системе NTSC, применяется квадратурная (амплитудно-фазовая) модуляция цветовой поднесущей сигналами цветности. Основной ее особенностью является то, что для устранения фазовых искажений используется изменение фазы поднесущей одного из цветоразностных сигналов (Е'_R-Y) от строки к строке на 180 град. Для разделения сигналов цветности в приемнике PAL, также, как и в приемнике SЕСАМ, применяется линия задержки на одну строку Н (63,94325 мкс).

В системе PAL цветоразностные сигналы Е'_R-Y и Е'_B-Y соответственно обозначают Е'_v и Е'_U. На векторной диаграмме рис. 3.24 векторы V и U показаны для двух соседних строк — 2n и (2n + 1). В приемнике запоминаются сигналы цветности на время передачи одной строки, а затем складываются непосредственно принимаемый (прямой) и задержанный сигналы цветности, и не только складываются, но и вычитаются, чтобы получить красный цветоразностный сигнал. При этом предполагается, что сигналы двух соседних строк практически не отличаются друг от друга. Векторы V и - V, которые соответствуют

цветоразностному сигналу Е'_R-Y, равны и направлены в противоположные стороны. В результате сложения происходит их компенсация. Вектор U, который соответствует цветоразностному сигналу Е'_R-Y на двух соседних строках равны по величине и имеют одинаковое направление. В результате сложения образуется удвоенный вектор 2U. Геометрическая сумма векторов V и U образует сигнал цветности. Амплитуда суммарного вектора соответствует насыщенности передаваемого участка изображения, а угол  между этим вектором и осью В — Y определяет цветовой тон. Если в системе NTSC при передаче цветного поля угол   постоянный, то в системе PAL его знак меняется каждую строку.

Для восстановления в приемнике подавленной цветовой поднесущей, как и в системе NTSC, предусмотрена передача на обратном ходу по строкам сигнала выспишки поднесущей, который состоит из десяти периодов колебаний цветовой поднесущей.

В отличие от системы NTSC фаза сигнала вспышки в системе PAL сдвинута от оси В — Y на угол 45 град, знак которого изменяется от строки к строке одновременно с изменением знака вектора V. Изменение знака фазы сигнала вспышки является информацией о знаке цветоразностного сигнала Е'_R-Y. Векторы колебаний цветового сигнала вспышки в системе PAL представлены на рис. 3.25.

В системе PAL цветовые сигналы вспышки передаются с фазой +135 град (180 — 45 град) в четных строках 2n, 2n+2 и т.д., в которых передается сигнал U_ц а с фазой 235 град (180 + 45 град) — в нечетных 2n+1, 2n+3 и т.д., в которых передается сигнал — U_ц. В спектре колебаний цветового сигнала вспышки в системе PAL имеются составляющие, удаленные от основной (с частотой поднесущей ƒ₀) на интервалы, равные ±(2К+1)f_стр/2, а интервал между соседними спектральными составляющими равен 1/2 f_стр..

В системе PAL период серии цветовых сигналов вспышки равен четырем полям, так как фаза колебаний этих сигналов изменяется относительно оси — (В — Y) на ±45 град от сигнала к сигналу. Цветовые сигналы вспышки условно показаны на рис. 3.26. Они подавляются (гасятся) во время части кадрового гасящего импульса так, чтобы последний сигнал вспышки перед гашением и первый после него имели в каждом поле развертки фазу + 135 град. Это достигается, если удалить цветовые сигналы вспышки, которые обозначены буквами с и d. Подавляются они с помощью специальных затухающих импульсов (импульсы гашения сигналов вспышек).

Форма цветового сигнала вспышки в системе PAL такая же, как и в системе NTSC (рис. 3.27).

Формирование ПЦТВ системы РА1 осуществляется в кодирующем устройстве, упрощенная схема которого приведена на рис. 3.28. В ее состав входит генератор цветовой поднесущей, который вырабатывает импульсы с частотой f_СТР, с двойной частотой 2f_СТР, и импульсы с частотой полей f_П, матрица, обеспечивающая получение из сигналов основных цветов R, G и В цветоразностных сигналов В-Y и В-Y и яркостного сигнала Y, два модулятора и сумматор. Колебания цветовой поднесущей поступают на модулятор В- Y через фазовращатель, сдвигающий фазу на 90 град. Колебания цветовой поднесущей на модулятор сигнала R — Y могут поступать непосредственно, либо через фазовращатель, изменяющий фазу на 180 град. Фаза цветовой поднесущей переключается с помощью электронного коммутатора, управляемого коммутирующими импульсами строчной развертки. Фаза цветовой поднесущей переключается таким образом, что в течение времени передачи одной строки она равна нулю, в течение следующей строки 180 град. Модуляция сигналами R — Y и В — Y  цветовой поднесущей осуществляется так же, как и в системе NTSC. Модулированные сигналы R — Y и В — Y смешиваются с сигналом Y в сумматоре.

Основные параметры стандартов с системой PAL приведены в табл. 3.7.

Глава 4

ЦИФРОВОЕ ВЕЩАТЕЛЬНОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ

4.1. Общие сведения

Система передачи информации электрическим способом берет свое начало от телеграфии, когда сообщения передавались в виде данных, представленных знаками или непрерывными функциями. Данные в виде знаков — дискретные, а в виде непрерывных функций — аналоговые. Многие десятилетия системы передачи данных в дискретной и аналоговой формах существовали независимо друг от друга. Однако в последнее время цифровые системы все энергичнее вытесняют аналоговые. Для современной техники связи преобладающее значение имеет передача дискретных данных. Можно утверждать, что сегодняшнее телевидение все больше становится отраслью техники передачи данных. Передаваемая в цифровых системах информация может быть представлена в виде последовательности символов, которые с помощью кодирования преобразуются в последовательность двоичных символов или знаков. Число двоичных знаков, передаваемых в единицу времени (с), называется скоростью передачи данных и измеряется в бит/с. Один двоичный разряд, называемый битам, дает основную информацию в форме ДА (лог. 1) или НЕТ (лог. О).

Одним из основных вопросов, касающихся передачи данных с заданной скоростью, является распределение энергии в спектре электрического сигнала, который передает данные, и согласование этого распределения с характеристиками каналов связи. Двоичные сигналы представляют собой последовательность прямоугольных импульсов, для передачи которых без искажений требуется бесконечно большая полоса частот. Однако реальные каналы связи могут обеспечить лишь ограниченную полосу частот, поэтому необходимо согласовывать передаваемые сигналы со свойствами каналов. Такое согласование может быть достигнуто при обеспечении специальной формы импульсов, которые переносят данные, а также с помощью различных видов модуляции.

Существуют две разновидности передачи данных — в первичной полосе частот (начинается с нуля и заканчивается некоторым граничным значением) и с помощью модулированного несущего колебания. Модулированное колебание образуется, когда параметры несущего колебания меняются под воздействием передаваемых данных, и занимает полосу частот от заданного нижнего до верхнего граничного значения.

Спектр одного гармонического колебания имеет лишь одну компоненту, значение которой равно амплитуде колебаний, а ее положение на оси частот обратно периоду колебаний (рис. 4.1).

Спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов имеет сложную структуру и является дискретным, а его компоненты имеют частоты, кратные основной частоте повторения импульсов (рис. 4.2).

В начале оси координат находится постоянная составляющая последовательности импульсов. Огибающая амплитуд имеет вид функции типа sinx/х. При скважности импульсов (отношение периода импульса к длительности) равной трем, исчезает каждая третья гармоника. Если бы скважность была равна двум, то в спектре остались только нечетные гармоники основной частоты.

Сигналы телевизионной передачи преобразуются в цифровую форму с помощью преобразователей. На стороне передатчика аналоговый сигнал преобразуется в цифровой, а на стороне приемника — из цифрового в аналоговый. Цифровая обработка телевизионного сигнала при передаче и приеме открывает новые возможности: для передатчика это связано, например, с использованием цифровой техники в студии, а для приемного устройства — с использованием устройств телетекста, кадра в кадре и др., расширением возможностей дистанционного управления и усложнением систем звукового сопровождения.

В отличие от аналоговых сигналов, имеющих бесконечное множество мгновенных значений, цифровые ограничиваются двумя дискретными уровнями — лог. 0 (напряжение 0 В) и лог. 1 (напряжение 1...5 В). Основная единица информации в цифровой системе представляется объединением нескольких битов, называемых словом. Четырехбитовое слово называется полубайтом и используется для представления 16 (2) разных чисел от 0 до 15, а восьмибитовое слово — байтом и использует 256 (2) чисел от 0 до 255 и т.д.

В цифровой системе чаще всего применяются двоичная (основание 2) и шестнадцатеричная (основание 16) системы счисления. Для различия этих двух систем счисления в окончании двоичных чисел добавляют букву В («В» — binary, двоичный), а шестнадцатеричных — букву Н («Н» — hexadecimal — шестнадцатеричный).

Цифровая передача — процесс посылки данных в виде импульсов по линии связи или с помощью радиоволн из одной точки в другую с использованием импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Цифровые данные могут передаваться в одном из двух режимов:

- последовательная передача, когда биты (bo, b1, Ь2 и т.д.) передаются последовательно друг за другом;

- параллельная передача, когда биты передаются одновременно и синхронно по некоторому числу параллельных линий и по одной для каждого бита.

Скорость параллельной передачи больше, так как с каждым импульсом передается целое слово, но для нее требуется столько линий, сколько разрядов присутствует в слове. Цифровая передача синхронизируется системой, которая и определяет скорость

передачи битов: V_бит = n_{разряда} f_синхр где n — число разрядов; f_синхр частота синхронизации.

В режиме последовательной передачи к концам слова обычно добавляют дополнительно стартовый (« СТАРТ» ) и столовый (« СТОП» ) биты.

При цифровой передаче данных возникают ошибки (например, изменение логического уровня одного бита), что приводит к ухудшению качества воспроизведения изображения. В линиях связи возникают помехи относительно большой длительности, которые могут уничтожить несколько битов в цифровом потоке. В связи с этим необходимо использовать систему обнаружения и исправления ошибок.

Существует несколько способов контроля. Все они используют для обнаружения ошибок дополнительные биты. Самый простой способ — добавление в конце цифрового кода одного бита, который показывает четность или нечетность единиц в кодированном слове. Бит четности может принимать значение 0 или 1. Различают два типа проверки: проверка четности, когда весь кодовый набор вместе с битом четности содержит четное число единиц, и проверка нечетности, когда он имеет нечетное число единиц. На приемной стороне подсчитывается число единиц и сопоставляется с битом четности, при этом несовпадение указывает на ошибку. Основным недостатком этой проверки является то, что ошибку можно обнаружить только в одном бите. Ошибки в двух битах не могут быть найдены, поэтому стали использовать более сложные системы обнаружения ошибок.

Один из способов обнаружения ошибочных битов основан на формировании слова четности для группы цифровых кодов, которые объединены в блоки столбцов и строк. Для этого в каждые столбец и строку вводятся биты четности. В этом случае на приемной стороне проверяется четность каждого столбца и каждой строки, а при появлении ошибки можно определить конкретный бит.

При цифровом кодировании преобразование уровня или числа в цифровую форму можно выполнить использованием одного из нескольких кодов:

- натуральный двоичный код;

- двоично-десятичный код;

- шестнадцатеричный код;

- код Грея, в котором при постепенном увеличении десятичного числа происходит изменение только одного бита.

Примеры их преобразования приведены в табл. 4.1.

Преобразование в цифровую форму содержит в себе как элемент изображения или кадра (строка за строкой), так и выборку значений содержимого строки. Для сохранения качества изображения число выбранных значений в строке должно равняться числу пикселов, т.е. выбранному значению (отсчету). Число пикселов в телевизионном изображении определяется числом строк в изображении и форматом изображения. В цветных системах SЕСАМ и PAL изображение состоит из 625 строк, 576 из которых являются активными, т.е. их используют при передаче видеоинформации. Для цифровых сигналов отношение числа элементов в строке к числу строк выбирают равным 5:4. Это соотношение сторон изображения наиболее приемлемо для операции декодирования видеосигнала, которая включает организацию элементов изображения в блоки и макроблоки.

Число пикселов в строке, которые теперь становятся неквадратными, определяется как произведение активных строк на формат изображения, т.е. 5765/4 = 720. Таким образом, каждая строка изображения представляется 720 отсчетами или пикселами. Чтобы отсчеты были точными в одних и тех же точках строки в пределах каждого кадра, частота выборки должна быть синхронна с частотой строк, т.е. должна быть кратна частоте строк.

Период одной строки ПЦТВ составляет 64 мкс, из которых 12 мкс используются для обратного хода, а 52 мкс остаются для передачи видеоинформации. Для 720 пикселов в строке частота выборки 720:52.10 = 13,8 МГц. Однако, поскольку частота выборки должна быть кратна частоте строк, Международный Консультативный Комитет по Радиосвязи (МККР или CCIR) рекомендует принять частоту выборки равной 13,5 МГц (864хчастоту строк) в качестве стандартной.

Как известно, цветное вещательное телевидение связано с передачей трех сигналов: яркости У и двух цветоразностных С_R(R — Y) и С_в (В — Y). В системе аналогового телевидения эти сигналы передаются с использованием амплитудной модуляции (наземное вещательное телевидение) или частотной модуляции (спутниковое вещательное телевидение). В цифровом вещательном телевидении эти три сигнала сначала преобразуются в потоки цифровых данных, а затем передаются, что условно представлено на рис. 4.3.

Для сигнала яркости, который содержит наибольшие видео-частоты, используется максимальная частота дискретизации 13,5 МГц. Для сигналов цветности CR и Св, которые содержат меньшие частоты, используется уменьшенная частота 6,75 МГц (13,50,5 = = 6,75 МГц). Таким образом, для составляющих цветности дискретизации подвергается только половина пикселов (каждый второй). Общее число отсчетов в секунду составляет около 27 млн.

За узлом дискретизации следует узел квантования, в котором каждый отсчет преобразуется в многобитовый код. Считается, что требуется не менее 8 битов на пиксел, что дает 256 (2) дискретных уровней сигнала. Скорость передачи битов при таком кодировании составляет 27 млн. х 8 = 216 Мбит/с. Для столь высокой битовой скорости требуется очень широкая полоса частот, которая зависит от типа модуляции. Например, при использовании ИКМ требуется 2160,5 = 108 МГц. Ширину полосы частот можно уменьшить, применяя сложные типы модуляции, в частности, квадратурную фазовую манипуляцию QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) и квадратурную амплитудную модуляцию QAM (Quad- rature Amplitude Modulation). Однако ширина полосы частот остается ограничивающим фактором для всех видов вещательного телевидения: наземного, спутникового и кабельного. Чтобы передавать сигналы цифрового телевидения по стандартным каналам связи, необходимо применять средства сжатия информации.

Качество изображения при цифровом вещательном телевидении ограничивают два фактора: ширина частот полосы видеосигнала или число пикселов на один кадр и битовая скорость. При 720 пикселах на строку и 576 активных строках на кадр общее число пикселов на кадр составляет 720x576 = 414 720. Для каждой пары пикселов требуется один период верхней граничной частоты ПЦТВ, поэтому максимальная частота в спектре видеосигнала аналоговой формы составляет 414 720x25/2 = 5,18 МГц.

При сжатии данных в соответствии со стандартом MPEG-2 для цифрового вещательного телевидения максимально возможная скорость передачи данных на выходе кодера составляет 15 Мбит/с. Отличное качество изображения достигается при скорости 9 Мбит/с, а хорошее — при 6 Мбит/с.

Для вещательного телевидения высокой четкости, использующего 1152 строки, требуется битовая скорость 60 Мбит/с для 1440 пикселов на строку и 80 Мбит/с для 1920 пикселов на строку.

На схеме рис. 4.4 упрощенно показаны основные компоненты системы цифрового вещательного телевидения, в которой передаются четыре программы по одному ВЧ каналу. Данные, содержащие сжатые видеоинформацию и звук, вместе с пакетами служебных данных мультиплексируются (уплотняются) в один битовый поток, называемый элементарным программным потоком PES (Programme Elementary Stream). Элементарный поток каждой программы мультиплексируется еще раз в битовый поток, называемый транспортным. Элементарный программный поток PES содержит идентификационные данные, временную метку и специфическую программную информацию. Эти составляющие потока позволяют распаковывать пакеты данных на стороне приемника по программам и кадрам для восстановления исходного изображения. Транспортный поток поступает в модулятор и затем передается по одному ВЧ-каналу с шириной полосы 8 МГц.

Основные компоненты системы кодирования упрощенно показаны на схеме рис. 4.5. Сначала аналоговые видео и звуковые сигналы подвергаются дискретизации на соответствующей частоте (13,5 МГц для Y и 6,75 МГц для C_R и С_B), а затем поступают соответственно на свои кодирующие устройства. Кодирующие устройства удаляют избыточные данные сигналов и выполняют операции уменьшения числа битов, формируя пакеты данных. Эти индивидуальные пакеты вместе со служебными пакетами данных передаются на мультиплексор, который формирует элементарный программный поток. Ввиду того, что объем видеоданных, превышает объем звуковой или служебной информации, поток PES содержит больше пакетов видеоданных, чем звуковых или служебных данных. Затем потоки PES объединяются в мультиплексоре и поступают в модулятор для передачи. Тип модуляции определяется типом вещательного телевидения — наземное, спутниковое или кабельное.

Кодирование видеоинформации состоит из трех основных этапов: подготовка видеоданных, их сжатие и квантование. Структурная схема кодирования видеоданных представлена на рис. 4.6. На этапе подготовки данных исходные кодированные данные кадров организуются так, чтобы их было удобно сжимать. Видеоданные сжимаются в соответствии со стандартом MPEG-2: сокращением временной и пространственной избыточности.

Уменьшение временной избыточности представляет собой межкадровое сжатие видеоданных, при котором сравниваются два последовательные видеокадра, сокращаются одинаковые области и формируются разности кадров для обработки. Уменьшение пространственной избыточности, называемое также внутрикадровым сжатием, исключает ненужные повторения содержимого конкретного видеокадра. Уменьшение выполняется на основе сложных математических выражений, называемых дискретным косинусным преобразованием (ДКП). Квантователь обеспечивает дальнейшее битовое сжатие и преобразование коэффициентов ДКП в 8-битовые коды, которые образуют битовый поток видеоданных.

Кодирование сигнала звукового сопровождения телевизионной программы заключается в расщеплении полосы частот звука на 32 частотных полосы равной ширины (рис. 4.7). Частоты звукового сигнала, попадающие внутрь каждой частотной полосы, подвергаются дискретизации и преобразуются в многобитовый код. Наиболее часто используются следующие частоты выборки: 32; 44,1 и 48 кГц. Информация о принятой частоте выборки включается в управляющую часть звукового пакета. Звуковая информация сжимается с помощью специальных алгоритмов, которые удаляют часть звуковых данных, не снижая качества звука. Такую операцию называют маскированием. При нем используют особенности слуха человека:

- слабый звук становится неслышимым из-за рядом расположенного громкого звука другой частоты;

- слабые звуки высоких частот маскируются более громкими низких. Кроме того, человеческий слух имеет конечную разрешающую способность по частоте, вследствие чего звуки в некотором диапазоне частот воспринимаются одинаковыми.

Звуковое маскирование выполняется с помощью преобразования Фурье. Звуковые сигналы поступают на процессор быстрого преобразования Фурье (БПФ), который раскладывает звуковой спектр по частотным коэффициентам, используемым для определения уровней квантования разных частотных полос. Квантованные частотные полосы вместе с необходимой информацией управления и обнаружения ошибок поступают на мультиплексор для формирования звукового пакета MPEG-2 (см. ниже).

Пакет служебных данных является третьей составляющей элементарного программного потока (PES) цифрового вещательного телевидения. Он содержит служебные и программные данные (информацию о программе, необходимую для идентификации канала и выбора соответствующих видео и звуковых пакетов из числа других мультиплексированных программ).

В цифровом вещательном телевидении используется три типа модуляции: квадратурная фазовая QPSK для цифрового спутникового вещательного телевидения, квадратурная амплитудная QAM для цифрового кабельного вещательного телевидения и кодированное ортогональное частотное уплотнение COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) для цифрового наземного вещательного телевидения.

Квадратурная модуляция достигается передачей в одной и той же полосе частот двух модулированных колебаний, несущие которых являются ортогональными и квадратурными (их частоты тождественны, а фазы сдвинуты на 90 град). Такая модуляция позволяет повысить скорость передачи данных по сравнению с обычной модуляцией. Временные диаграммы квадратурной модуляции приведены на рис. 4.8. Сигнал исходных данных разделяется на два потока — S₁) и S_Q. Сигнал S_Q модулирует синусоидальную несущую Яо((), а сигнал S) — косинусоидальную S₁(t). Далее два модулированных колебания складываются, образуя единое квадратурно-модулированное колебание S_КАМ (t). Модуляция является сложной ввиду того, что в моменты Т и 2Т происходят скачки как амплитуды, так и фазы.

Однако более удобно представить модулированное колебание векторной диаграммой. На рис. 4.9, а показаны две временные диаграммы, соответствующие единичным и нулевым передаваемым двоичным данным, вся информация о которых может быть отображена двумя векторами (один из них является нулевым) на комплексной плоскости. При вращении комплексных векторов на плоскости с частотой, равной частоте колебания (рис. 4.9, б), проекция их на действительную ось дает вещественный сигнал. Обозначая вещественную и мнимую оси I и Q, можно перейти к диаграмме (рис. 4.9, в), на которой два колебания вместо векторов представлены точками. Такой способ очень удобен при представлении более сложных модулированных сигналов.

Квадратурно-модулированное колебание, показанное на рис. 4.8, представлено в векторной форме на рис. 4.10. Пространство комплексной плоскости используется неэффективно — занят только один квадрант.

На рис. 4.11 показано квадратурно-модулированное колебание QAM, вектор которого при модуляции двух квадратурных компонент занимает также 4 точки, но уже в 4-х квадрантах, что повышает помехоустойчивость системы модуляции.

Несмотря на высокую эффективность, передача сигналов с квадратурно-амплитудной модуляцией QAM при наземном вещательном телевидении обладает замиранием и многолучевой интерференцией. Однако этого можно избежать, используя модуляцию с несколькими несущими, называемую ортогональным частотным уплотнением ОРОМ (Orthogonal Frequency Division Multiplex). Поскольку цифровой сигнал кодируется с применением прямой коррекции ошибок, такую модуляцию называют кодированным ортогональным частотным уплотнением COFDM.

Способ COFDM включает в себя распределение высокоскоростного последовательного битового потока по большому числу близко расположенных индивидуальных несущих, разнесенных по

доступной полосе частот, где каждая несущая передает только часть общего битового потока. Несущие модулируются одновременно в течение регулярных интервалов времени. Набор несущих, обрабатываемых на каждом интервале, называют символом COFDM. Вследствие большого числа несущих длительность символа СОРОМ существенно больше, чем длительность одного бита в исходном битовом потоке. Большая длительность символа позволяет приемнику ждать, пока не придут все отраженные сигналы, и только после этого произвести оценку и обработку сигнала. Таким образом, отраженные колебания, приходящие в этот период, будут улучшать путь прямой передачи. Возможно дальнейшее его улучшение посредством введения перед символом защитного интервала, во время которого приемник ждет перед тем, как начать оценку несущих. Расстояние между несущими выбирается равным 1/t_s, где t_s — длительность модулирующего символа.

На рис. 4.12 показан частотный спектр каждой несущей. При использовании всех несущих получается плоский частотный спектр с паразитными боковыми лепестками на каждом его крае (рис. 4.13). Введение защитного интервала улучшает частотный спектр, уменьшая вторичные боковые лепестки.

Набор несущих с ОFDМ получается в устройстве прямого быстрого преобразования Фурье (БПФ), которое производит 

разложение непрерывного колебания на частотные составляющие. Для получения непрерывного колебания, которое используется для модуляции УВЧ - несущей, над несущими СОFDМ выполняется обратное БПФ. Структурная схема реализации передачи и приема сигналов в СОFDМ представлена на рис. 4.14.