Система цветного телевидения NTSC

   Система NTSC была разработана в США и принята в качестве стандартной системы цветного телевидения практически во всех странах Северной, Южной и Центральной Америки, а также в ряде стран Азии (Япония, Южная Корея и др.).

  В качестве сигналов для передачи цветовой информации в системе NTSC приняты цветоразностные сигналы. Передача этих сигналов осуществляется в спектре сигнала яркости на одной цветовой поднесущей. Для того чтобы иметь возможность передавать два видеосигнала цветности с помощью одной поднесущей частоты, применён метод квадратурной амплитудной модуляции. Сущность этого метода состоит в следующем.

  Основным элементом схемы квадратурной модуляции является балансный модулятор. Балансный модулятор выполняет две функции:

1. Модуляция поднесущей для получения боковых полос;

2. Подавление этой поднесущей для того, чтобы на выходе модулятора присутствовали только сигналы боковых полос.

   Модулирующие сигналы Е_{R – Y}  и Е_{B – Y} подаются на два балансных модулятора (рис.4.1).                  

  

Рис.4.1. Принцип квадратурной модуляции сигнала

ГП – генератор поднесущей; БМ1, БМ2 – балансные модуляторы;

ФИ – фазоинвертор; СМ1, СМ2 – смесители.

 

   Модулируемые колебания имеют одну и ту же поднесущую частоту f₀, однако сдвинуты относительно друг друга на угол 90°. На выходе балансных модуляторов получаются два сигнала:  Е_{R – Y} ·Cos ω₀t и Е_{B – Y} · Sinω₀t, находящиеся в квадратуре. Эти сигналы являются сигналами цветности.

  При сложении этих сигналов образуется результирующий сигнал Е_Р, модулированный по амплитуде и фазе (рис.4.2).

Е_Р = Е_{R – Y} Cos ω₀t + E_{B – Y} ·Sin ω₀t ………………….. (4.1)

Модуль результирующего вектора равен

|Е_Р|= ……………………………….. (4.2)

 Разделив обе части (4.1) на (4.2) после несложных преобразований, получим:

Е_Р = ·Sin (ω₀t + θ),

где θ = arctg (E_{R – Y} / E_{B – Y}) ……………………………. (4.3)

Модуль вектора характеризует насыщенность цвета передаваемого элемента, а угол θ – его цветовой тон (рис.4.2)

                      

Рис.4.2. Векторная диаграмма квадратурной модуляции

 

  Таким образом, в зависимости от окраски передаваемого в данный момент участка изображения ЦРС меняются по амплитуде, но остаются сдвинутыми по фазе на 90° относительно друг друга. Соответственно их суммарный вектор Е_Р меняется в пределах угла θ = 0° ÷ 360°.

  Поскольку при модуляции значения векторов Е_{R – Y} и Е_{B – Y}  изменяются и при этом изменяется амплитуда и фаза результирующего колебания Е_Р и θ, можно сказать, что квадратурная модуляция является амплитудно-фазовой модуляцией. Балансная модуляция имеет преимущества перед другими видами модуляции, заключающиеся в том, что в значительной степени уменьшаются помехи в канале яркости со стороны колебаний поднесущей частоты.

При балансном методе модуляции поднесущей цветоразностными сигналами хорошая совместимость достигается, потому что на неокрашенных деталях изображения нет помех со стороны сигналов цветности, поскольку ЦРС, как это было показано ранее, равны нулю и напряжение поднесущей также равно нулю, так как она подавлена.

  В системе NTSC отводится сравнительно небольшая полоса частот для передачи изображения (по стандарту 4,2 МГц). В связи с этим ограничивается и ширина спектров сигналов цветности, которые так же, как и в системе

SECAM, «вкладываются» в спектр сигнала яркости. Уменьшение ширины спектра сигналов цветности приводит к ухудшению цветовой чёткости изображения. Улучшить цветовую чёткость изображения при ограниченной ширине спектров сигналов цветности можно путём использования АМ-сигналов с одной боковой полосой (ОБП).

  При использовании сигналов с амплитудной модуляцией информацию можно передать с помощью одной боковой полосы спектра сигнала. Применение сигналов с ОБП позволяет вдвое сократить полосу частот, занимаемую сигналом, либо при фиксированной ширине частотного интервала, отводимого для передачи информации, увеличить вдвое ширину спектра модулирующего сигнала.

  На практике обычно вторая боковая полоса подавляется лишь частично: от неё остаётся часть спектральных составляющих, примыкающих к частоте поднесущей. Такие сигналы называются сигналами с частично подавленной боковой полосой.

  Однако использование сигналов с ОБП в системах с квадратурной модуляцией (КМ) наталкивается на серьёзные трудности. Это объясняется высокой чувствительностью таких систем к фазовым искажениям сигналов. Фазовые искажения приводят к появлению помех при приёме сигналов с КМ и искажению передаваемой информации.

  Под фазовыми искажениями понимается изменение начальной фазы сигнала. Такие искажения могут возникнуть при прохождении сигнала через радиотехнические цепи (контура, фильтры, и т.п.), при воздействии внешних помех в виде электрических колебаний и других причин. Это приводит к появлению помех и нарушению цветопередачи изображения.

  Цветоразностные сигналы в системе NTSC .

  Использование ЦРС Е_{R – Y}  и Е_{B – Y}  в системе NTSC оказывается малоэффективным. При разработке системы NTSC опытным путём были найдены цвета, при которых глаз человека обнаруживает наибольшую разрешающую способность. Эти цвета передаются сигналами Е_I и Е_Q , которые связаны с ЦРС Е_{R – Y}  и  Е_{B – Y}  следующими соотношениями:

                          Е_I = 0,47Е_{R – Y}  – 0,27Е_{B – Y}    

                          Е_Q = 0,48Е_{R – Y}  – 0,41Е_{B – Y}  

  Использование балансной модуляции приводит к необходимости применять в телевизоре синхронное детектирование для разделения квадратурных сигналов. Это усложняет схему, но повышает помехоустойчивость совместимой системы.

  Для синхронного детектирования, помимо квадратурных сигналов, на детектор необходимо подавать колебания цветовой поднесущей. В передаваемом сигнале изображения поднесущая полностью подавлена. Поэтому в каждой строке ТВ-сигнала во время обратного хода передаётся так называемая «вспышка», представляющая собой 8…10 колебаний цветовой поднесущей. «Вспышка» является сигналом цветовой синхронизации. Форма этого сигнала показана на рис.4.3.

 

                           

Рис.4.3. Форма строчного синхроимпульса с цветовой вспышкой

 

  Чтобы избежать искажений цветовых тонов принимаемого изображения, не только частота, но и фаза колебаний вспышки должна быть точно (до ± 5°) равна фазе поднесущей в кодирующем устройстве. Это необходимо потому, что синхронное детектирование работает на принципе сравнения фазы опорного напряжения (поднесущей частоты) с фазой детектируемого (квадратурного) сигнала.

  Принцип разделения сигналов, переданных методом квадратурной модуляции, основан на перемножении сигнала цветности Е_Р, содержащего обе квадратурные составляющие, и напряжения опорной (поднесущей) частоты, совпадающей по фазе с какой-либо квадратурной составляющей. Такое перемножение осуществляется в синхронном детекторе, структурная схема которого показана на рис.4.4.

                     

Рис.4.4. Структурная схема синхронного детектора

РФ – режекторный фильтр; СД1, СД2 – синхронные детекторы;

Г – генератор поднесущей; ФИ – фазоинвертор.

 

   На выходе синхронных детекторов получаются ЦРС Е_{R – Y}  и Е_{B – Y}. Третий ЦРС Е_{G – Y}  получается в декодирующей матрице приёмника из яркостного Е_Y  и двух ЦРС Е_{R – Y}  и Е_{B – Y} .

  Система NTSC очень чувствительна к фазовым искажениям, которые приводят к искажениям передаваемого цвета. Высокая точность, с которой необходимо выдерживать все фазовые соотношения в полном цветовом сигнале, приводит к необходимости предъявлять очень жёсткие требования к характеристикам всех звеньев ТВ-системы и линии связи. Это послужило причиной отказа ряда стран от применения системы NTSC.

  Достоинства системы NTSC:

· Одновременная передача двух сигналов цветности;

· Высокая помехоустойчивость к шумовым помехам благодаря использованию синхронных детекторов;

· Меньшая, чем в системе SECAM, полоса частот, занимаемая сигналом изображения;

· Сигналы цветности не создают помех при передаче чёрно-белого изображения (эти сигналы отсутствуют при передаче чёрно-белого изображения);

  Недостатки системы NTSC:

· Система очень чувствительна к фазовым искажениям сигналов цветности;

· Меньшая чёткость изображения, чем в системе SECAM (более узкая ширина спектра сигнала яркости).

 

  4.2. Система цветного телевидения PAL

  Система PAL в своей основе содержит все идеи американской системы NTSC. Особенность системы PAL заключается в оригинальном способе устранения фазовых искажений, присущих системе NTSC. Идея компенсации фазовых искажений заключается в том, что фаза поднесущей «красного» ЦРС

Е_{R – Y}  от строки к строке меняется на 180°. Фаза поднесущей «синего» сигнала цветности при этом остаётся неизменной.

  Инверсия фазы «красного» сигнала цветности от строки к строке приводит к тому, что искажения сигналов на выходах синхронных детекторов и перекрёстные помехи, вызванные фазовыми искажениями, оказываются одинаковыми в соседних строках по форме, но с разными знаками. Следовательно, они могут быть скомпенсированы, если перед синхронным детектором или после него сложить сигналы двух соседних строк.

  Изменение фазы вектора Е_{R – Y}  приводит к тому, что фазовые ошибки Δθ двух соседних строк m  и m + 1 (рис.4.5а), одинаковые по величине, имеют разные знаки.

б)

а)

 

Рис.4.5. Компенсация фазовых искажений в системе PAL

а – векторные диаграммы двух соседних строк;

б – суммарный вектор 2Е_Р в приёмнике после сумматора.

 

  Е_Р1 и Е_Р2 – векторы, правильно отображающие цвета m и m = 1  строк;

·  Е'_Р1 и Е'_Р2 – реальные векторы цветности с учётом фазовых искажений;

· Δθ и Δθ – дополнительные изменения угла θ из-за фазовых искажений.  

  В системе PAL, как и в системе SECAM, используются ЦРС Е_{R – Y}  и Е_{B – Y}.

 В ТВ-приёмнике для сигнала цветности устанавливается ультразвуковая линия задержки на период одной строки (64 мкс). Таким образом, в тракте обработки появляются два одноименных сигнала цветности с относительной задержкой на период одной строки. Изменение полярности вектора Е_{R – Y}  в сигнале цветности на выходе линии задержки и последующее сложение двух напряжений (напряжения на выходе УЗЛЗ Е'_Р1 c инвертированным напряжением на её входе Е'_Р2) устраняет фазовую ошибку Δθ, что показано на рис.4.5б. Удвоенный размах вектора Е_Р за счёт ограничения приводится к нормальной величине.

  Одним из недостатков системы PAL является усложнение тракта обработки сигнала цветности. Однако достоинства этой системы перед NTSC сделали эту систему весьма привлекательной, поэтому многие страны Западной Европы, Азии, Африки и Австралия приняли её в качестве своего ТВ-стандарта.

 

  Структурная схема кодирующего устройства системы PAL    

  Упрощённая структурная схема кодирующего устройства системы PAL показана на рис.4.6.

   

   Рис. 4.6. Упрощённая структурная схема кодирующего устройства

                                                 системы PAL 

  В матрице из сигналов Е'_R, Е'_G и Е'_B формируются сигналы Е'_Y, Е'_{R - Y}

и Е'_{B – Y}. Цветоразностные сигналы через ФНЧ, ограничивающие их спектр, поступают на балансные модуляторы. Один из них (ФНЧ-R) служит для модуляции поднесущей сигналом Е_{R – Y}, а другой (ФНЧ-В) – сигналом E_{B – Y}. Балансный модулятор «II» получает колебания поднесущей частоты непосредственно от генератора поднесущей. На балансный модулятор «I» колебания поднесущей поступают через коммутатор фазы и фазовращатель. Фазовращатель обеспечивает сдвиг фазы поднесущей на 90°, а коммутатор изменяет фазу колебания, поступающего от генератора поднесущей, на 180° от строки к строке. Управление коммутатором осуществляется специальными импульсами, поступающими от генератора коммутирующих импульсов. Синхронизация генератора осуществляется импульсами строчной частоты.

  С выходов балансных модуляторов сигналы поступают на сумматор «I».

В сигнал яркости с помощью сумматора «II» вводится синхронизирующий сигнал. Далее следует линия задержки, обеспечивающая совпадение во времени сигналов яркости и цветности. Сигналы цветности отстают от сигналов яркости, так как каналы цветности имеют значительно более узкую полосу пропускания и вносят соответственно большую задержку при обработке сигнала. Сложение сигналов яркости и цветности осуществляется

в сумматоре «III».                            

   Структурная схема декодирующего устройства системы PAL

  Упрощённая структурная схема декодирующего устройства системы PAL показана на рис.4.7.                      

       Рис.4.7. Упрощённая структурная схема декодирующего устройства

                                                        системы  PAL

  

  Полный цветовой сигнал с выхода видеодетектора поступает на полосовой фильтр. С помощью полосового фильтра выделяются сигналы цветности, передаваемые на поднесущей частоте. Выделенные сигналы цветности поступают на сумматор «I» и через фазовращатель, обеспечивающий поворот фазы на 180°, на сумматор «II». Кроме того, цветовые сигналы поступают на блок задержки. Блок задержки представляет собой последовательное включение двух линий: ультразвуковой и регулируемой линии, обеспечивающей точную подстройку времени задержки.

  Задержанные цветовые сигналы с выхода регулируемой линии задержки поступают на оба сумматора. Выделение сигналов Е'_{R – Y}  и Е'_{B – Y} осуществляется с помощью двух синхронных детекторов. Выделение сигнала Е'_{B – Y}  осуществляется в синхронном детекторе «II», на который также подаётся колебание опорной частоты от генератора поднесущей. На синхронный детектор «I», помощью которого выделяется сигнал Е'_{R – Y}, опорное колебание поднесущей поступает через коммутатор фазы и фазовращатель. Фазовращатель сдвигает фазу опорного колебания на 90°, а с помощью коммутатора фазы осуществляется коммутация фазы на 180° от строки к строке. Коммутатор фазы управляется с помощью генератора коммутирующих импульсов. Правильная последовательность коммутации задаётся схемой цветовой синхронизации.

  Достоинства системы PAL:

· Поскольку в системе PAL используется квадратурная модуляция, все достоинства системы NTSC следует отнести и к системе PAL;

· Модернизация квадратурной модуляции позволила устранить чувствительность к фазовым искажениям сигналов цветности и использовать при передаче сигналы цветности с ОБП;

· Применение сигналов цветности с ОБП позволяет расширить полосу частот ЦРС, и, следовательно, улучшить цветовую чёткость изображения.

  Недостатки системы PAL:

  Несколько большая сложность телевизионного приёмника по сравнению с системой NTSC.

  Практически все телевизоры, выпущенные промышленностью Советского Союза, не имели возможности принимать цветное изображение, передаваемое в системах NTSC и PAL. Для ликвидации этого недостатка были разработаны приставки к блокам цветности (транскодеры), способные обеспечивать воспроизведение изображения в цвете. Это усложняло схемы телевизоров; установка таких транскодеров производилась, как правило, неспециалистами, что приводило к ухудшению качества работы ТВ-приёмника и, в конечном итоге, к снижению надёжности его работы.

  Современные телевизоры, выпускаемые ведущими фирмами мира, оснащены мультистандартными устройствами, позволяющими воспроизводить цветное изображение с высоким качеством в любом стандарте цветного телевидения.

 

                                  Контрольные вопросы:

1. Что такое квадратурная модуляция?

2. Почему в системах NTSC и PAL используются сигналы с квадратурной модуляцией?

3. Какие достоинства и недостатки систем NTSC и PAL вы знаете?

4. Что такое сигнал с ОБП? В чём его преимущества?

5. Объясните по функциональной схеме работу кодирующего устройства системы PAL.

6. Объясните по функциональной схеме работу декодирующего устройства системы PAL.

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: