Лекция 5. Система secam. Кодирующее устройство
В системе SECAM информация о цвете передается путем частотной модуляции цветовой поднесущей цветоразностными сигналами E R–Y и E B–Y , причем красный и синий цветоразностные сигналы передаются по очереди через строку. Ныне действующая версия системы имеет следующие особенности.
Вместо сигналов E R–Y и E B–Y передаются сигналы D R–Y и D B–Y :
D R–Y = –1,9 E R–Y;
D B–Y = 1,5 E B–Y .
Разные значения коэффициентов позволяют уравнять размахи модулирующих сигналов, т.е. девиацию цветовой поднесущей. В самом деле, максимальная амплитуда сигнала E R–Y равна 0,7, а сигнала E B–Y – 0,89. Результат перемножения 0,7 ∙ 1,9 = 0,89 ∙ 1,5 = 1,33. Т.к. коэффициенты больше единицы, это приводит к увеличению девиации, что повышает помехоустойчивость.
Инвертирование сигнала ER–Y объясняется следующим образом. В среднем (за много сюжетов) сигнал ER–Y чаще бывает положительным, а E B–Y – отрицательным. Поэтому отклонение цветовой поднесущей при ЧМ для сигнала ER–Y чаще оказывается положительным, а для E B–Y – отрицательным. В случае идеального канала связи это не приводит к каким-либо последствиям, но в случае ограничения полосы пропускания канала связи, включая и ТВ приемник (обычно полоса ограничивается сверху), происходит потеря части информации, причем в красных строках потери больше. При инвертировании потери становятся меньше. Безусловно, в приемнике нужно произвести обратное инвертирование.
Инвертирование не связано с помехоустойчивостью, как это ошибочно утверждается в [1] и [2].
*
0
(f н.и.)
f
ц п
6,375 МГц f
2. Сигналы D R–Y и D B–Y подвергаются низкочастотным предварительным искажениям, заключающимся в подъеме верхних частот.
Данное действие не является специфической принадлежностью систем цветного телевидения. Это обычная операция для всех систем связи с использованием частотной модуляции.
*
К
0
0,8 МГц 1,5 МГц
f
Дело в том, что на выходе частотного детектора приемника напряжение шумов пропорционально модулирующей частоте. Если на передающем конце сделать подъем верхних частот, а в приемнике после частотного детектора произвести соответствующий завал верхних частот, отношение сигнал-шум в канале связи увеличится. Ширина спектра сигналов D R–Y и D B–Y предварительно ограничивается обычным ФНЧ с частотой среза 1,5 МГц. Частота максимума совместной АЧХ ФНЧ и ФНЧПИ около 800 кГц.
Частоты цветовых поднесущих выбраны следующими:
f 0 B = 272 f C = 4250 кГц;
f 0 R = 282 f C = 4406,25 кГц.
4. Частотно-модулированные сигналы цветности подвергаются высокочастотным предварительным искажениям с помощью фильтра, АЧХ которого называется «антиклеш». Минимум АЧХ лежит на частоте 4286 кГц.
*
4286
кГц
f
Фильтр «антиклеш» поднимает уровень спектральных составляющих ЧМ сигнала цветности, соответствующих верхним частотам спектра модулирующего цветоразностного сигнала, что дает некоторое увеличение отношения сигнал-шум. Ослабление поднесущих, попадающих в область минимума АЧХ, делает помеху от поднесущей менее заметной, особенно при передаче малонасыщенных сюжетов.
Разнос цветовых поднесущих и увеличение девиации в красных строках до 280 кГц позволили уменьшить заметность шумов на красных деталях изображения, что наблюдалось в первых версиях системы SECAM, где частота цветовой поднесущей была одной и той же в красных и синих строках и равнялась 4,4375 МГц, девиация составляла 230 кГц, а частота минимума АЧХ фильтра ВЧПИ также равнялась 4,4375 МГц.
5. Номинальный размах сигнала цветности равен 0,2 от номинального размаха сигнала яркости. Если амплитуда спектральных составляющих сигнала яркости, лежащих в полосе сигнала цветности, превышает 0,7 амплитуды поднесущей, размах сигнала цветности временно увеличивают. Стандарт допускает и обратное действие, т.е. уменьшение размаха сигнала яркости. Эта ситуация возникает при передаче общих планов, содержащих много мелких деталей.
6. Коммутация фазы в кодере в соответствии с действующим стандартом производится через две строки на третью и через поле (допускается вариант: три строки – 0, три строки – 180).
Кодирующее устройство SECAM
*
М
E
B
D
B–Y
E
Y
ССМ
E
R
D
R–Y
ИНВ
ФНЧПИ АПЧ
E
G
ФНЧПИ
ЭК
ЧМГ
СЦС
СИНХРОГЕНЕРАТОР
КФ
ПЦТС
КГ
ФВЧПИ
Синхрогенератор (как правило, кварцованный) обеспечивает получение всех служебных сигналов (синхронизирующие импульсы, гасящие и т.д.).
На выходах матрицы формируются сигналы E Y , 1,9 E R–Y , 1,5 E B–Y . Сумматоры обеспечивают введение сигналов цветовой синхронизации (СЦС) и синхросмеси (ССМ). Инвертор ИНВ меняет полярность сигнала E R–Y , а фильтры ФНЧПИ обеспечивают подъем верхних частот (низкочастотные предварительные искажения в соответствии с п.2).
Электронный коммутатор ЭК поочередно с полустрочной частотой (утверждение в [3] на с.333 – «с частотой строк» – ошибочно по определению) подает на частотномодулируемый генератор сигналы D R–Y и D B–Y . Коммутатор фазы КФ работает в соответствии с п.6. Фильтр ФВЧПИ осуществляет высокочастотные предварительные искажения (антиклеш).
Каскад гашения выключает сигнал цветности приблизительно на время действия строчных и кадровых синхроимпульсов, чтобы исключить помехи от сигнала цветности в канал синхронизации разверток ТВ приемников.
Линия задержки (на десятые доли микросекунды) необходима для уравнивания времени прохождения сигналов яркости и цветности, т.к. канал цветности содержит больше каскадов, а также имеет существенно меньшую полосу пропускания, чем яркостный.
Лекция 6. СИСТЕМА СЕКАМ. ДЕКОДИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО. ЦВЕТОВАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ
Декодирующее устройство
*
f
C /2
f
K
С Ц С
ПЦТС
E
Y
РФ
E
R-Y E
R
ПФ
ЭК ЧД
R
ФНЧ
E
G-Y E
G
Е
ЦВ
М1 М2
E
B-Y E
B
64
мкс ЧД
B
ФНЧ
f
C
С помощью полосового фильтра ПФ и режекторного фильтра РФ полный цветовой телевизионный сигнал разделяется на сигнал яркости и сигнал цветности. В полосовом фильтре одновременно производится коррекция предварительных высокочастотных искажений, произведенных в кодере.
Ультразвуковая линия задержки на 64 мкс выполняет роль элемента памяти на строку, организуя так называемый задержанный канал. Электронный коммутатор ЭК переключает с полустрочной частотой прямой и задержанный каналы таким образом, что на его верхнем по схеме выходе всегда сигнал красной строки, а на нижнем – сигнал синей строки.
Частотные детекторы ЧД В и ЧД R отличаются настройкой нуля S-кривой (4250 кГц и 4406,25 кГц) и знаком наклона дискриминаторной характеристики (для коррекции изменения знака сигнала E R–Y в кодере). На выходах ЧД имеем цветоразностные сигналы E R–Y и E B–Y .
Фильтры нижних частот ФНЧ подавляют сигналы поднесущих на выходах частотных детекторов, а также производят коррекцию предварительных низкочастотных искажений, сделанных в кодере (т.е., делают завал на верхних частотах АЧХ ).
В первой матрице М1 восстанавливается зеленый цветоразностный сигнал в соответствии с уравнением
E G–Y = – 0,51 E R–Y – 0,19 E B–Y . ( 16 )
Во второй матрице М2 производится сложение цветоразностных сигналов с яркостным, в результате чего на ее выходе получаются сигналы исходных цветов E R , E G , E B .
Режекторный фильтр в канале яркостного сигнала ослабляет помеху от сигнала цветности. Наличие в схеме этого фильтра не является обязательным.
Линия задержки в канале яркости декодера выполняет такие же функции, как и линия задержки в кодере.
Цветовая синхронизация в системе SECAM
Поочередная передача сигналов цветности в системе СЕКАМ приводит к наличию в декодере электронного коммутатора, работающего с полустрочной частотой. Для управления коммутатором приходится использовать симметричный триггер, работающий в режиме деления на два частоты строчной развертки. Этот триггер, во-первых, в момент включения питания может с равной вероятностью оказаться в одном из двух устойчивых состояний и, во-вторых, в процессе работы может быть опрокинут в «неправильное» состояние помехой. Оба эти явления совершенно случайны в том смысле, что они никак не связаны с передаваемой цветовой информацией, а фаза работы триггера должна быть строго согласована с чередованием красных и синих строк в сигнале цветности, с тем, чтобы сигналы красных и синих строк попадали в свои каналы декодера. Из всего сказанного вытекает необходимость иметь в декодере систему цветовой синхронизации (СЦС), основное назначение которой заключается в принудительной установке правильной фазы работы триггера электронного коммутатора. Само собой разумеется, что для управления работой этой системы в ПЦТС должны быть служебные сигналы, однозначно связанные с порядком чередования красных и синих строк – сигналы цветовой синхронизации (СЦС). Другое название этих сигналов – сигналы опознавания цвета.
Следует иметь в виду, что при всем многообразии схемных решений системы цветовой синхронизации могут быть разделены на два класса: покадровые, где информация о взаимном расположении красных и синих строк извлекается из ПЦТС один раз за кадр (точнее, за поле), и построчные, где эта информация извлекается из каждой строки (точнее, из двух смежных).
Система СЕКАМ разрабатывалась в расчете на использование покадровой синхронизации, для чего на задней полке кадрового гасящего импульса (в строках 7-15 и 320-328) предусмотрена передача девяти пакетов ЧМ колебаний с предельной девиацией 350 кГц.
Длительность каждого из этих пакетов около 57 мкс, а предельные частоты в красной и синей строках 4756,25 кГц и 3900 кГц соответственно.
*
t
4406
U
f
4756
4250
3900
t
Такие сигналы цветовой синхронизации после частотных детекторов декодера имеют вид последовательности из девяти видеоимпульсов определенной полярности. Частота следования этих пачек – 50 Гц. Полярность импульсов пачки будет зависеть от того, в правильной или неправильной фазе работает электронный коммутатор. Проанализировав полярность импульсов, можно определить, правильно или неправильно работает коммутатор и, если фаза неправильная, сформировать сигнал для принудительного опрокидывания триггера, подав этот сигнал на установочный вход триггера (R или S), который обычно является приоритетным.
Информацию, необходимую для установки правильной фазы коммутации, можно получать и до частотных детекторов декодера непосредственно из сигнала цветности. Эта информация заключена в частоте колебаний внутри пакетов СЦС. Следовательно, необходимо решить задачу оценки частоты радиоимпульса. Подробно эта задача рассматривается в дисциплине «Радиотехнические системы». В телевизионных приемниках обычно решают эту задачу путем преобразования разницы в частотах в разницу амплитуд с помощью либо частотного дискриминатора, либо, чаще, с помощью колебательного контура, настроенного на одну из частот СЦС, и амплитудного детектора, после чего разницу амплитуд можно оценить с помощью амплитудного компаратора или ограничителя (само собой разумеется, что предварительно нужно выделить эти девять пакетов с помощью аналогового ключа и стробирующего импульса). На выходе схемы получатся видеоимпульсы с полустрочной частотой.
U
t
Т.к. длительность переднего уступа на СГИ равна 1,5 мкс, длительность пакета цветовой поднесущей на задней полке СГИ получается равной 4,9 мкс. Выделив эти пакеты с помощью аналогового ключа и применив колебательный контур, настроенный на частоту какой-либо цветовой поднесущей, можно путем таких же действий, как и при покадровой синхронизации, получить сигналы с полустрочной частотой, пригодные для принудительного управления фазой работы триггера. Главным недостатком этого варианта цветовой синхронизации является малая длительность обрабатываемого пакета (радиоимпульса). Разрешение по частоте при такой длительности не обеспечивается, но различение сигналов осуществить можно.
В современных ТВ приемниках система СЦС, кроме управления фазой работы триггера, решает еще ряд задач. Прежде всего, это выключение канала цветности при отсутствии сигналов СЦС (т.е. в случае черно-белой передачи). Это позволяет исключить попадание шумов канала цветности на выход декодера. Выключение режекторного фильтра яркостного канала (в такой же ситуации) устраняет снижение четкости черно-белой передачи. В некоторых моделях телевизоров организуется также перестройка режекторного фильтра от строки к строке.
Сравнивая в заключение систему SECAM с системами цветного телевидения NTSC и PAL, следует сказать, что применяемая в системах NTSC и PAL квадратурная модуляция весьма чувствительна к нелинейности характеристик канала связи. Зависимость размаха сигнала цветности от уровня сигнала яркости (искажения типа «дифференциальное усиление») приводит к нарушению насыщенности что, к счастью, не очень заметно. Зависимость фазы сигнала цветности от уровня сигнала яркости (искажения типа «дифференциальная фаза») приводит к нарушению цветового тона, что гораздо заметнее, чем нарушения насыщенности. Следствие – более жесткие по сравнению с системой SECAM требования к параметрам линий связи и (в том числе) телевизионного приемника.
Система PAL по существу является усовершенствованием системы NTSC. В этой системе при передаче вращают фазу красного сигнала от строки к строке на 90. При приеме красные сигналы соседних строк осредняются с помощью линии задержки на 64 мкс, что позволяет компенсировать фазовые сдвиги в канале связи, т.е. искажения типа «дифференциальная фаза». Искажения типа «дифференциальное усиление» не компенсируются. Данное техническое решение привело к появлению в системе PAL цветовой синхронизации, которая отсутствует в системе NTSC.
Полезно знать, что в процессе развития международного обмена телепрограммами появились около десяти разновидностей систем NTSC, PAL, SECAM, которые обозначаются добавочными латинскими буквами (B, G, D, J, K, L и т.д.). Эти разновидности могут отличаться параметрами разложения ( Z и F K ), разносом частот несущих изображения и звука, разносом частот соседних каналов в пределах одного диапазона, видом модуляции и т.д.