Вопрос 2

2.1 Перечислите существующие системы цветного телевидения и способы передачи в них сигналов цветности.

2.2 Рассчитайте размах составляющих яркостного и цветоразностных сигналов. На временной диаграмме сигнала яркости, полярность которого положительная, покажите гасящий и синхронизирующий импульсы строки. Рассчитайте значения проквантованных сигналов яркости и цветности для соответствующих цветов.

Решение

2.1 Система цветного телевидения ntsc

Система цветного телевидения NTSC была разработана в США в 1950-53 гг. Нацио­нальным комитетом телевизионных систем (National Television System Committee) и утвержде­на в стране как национальный стандарт. Позднее эта система была принята в качестве стан­дарта в Канаде, в большинстве стран американского континента, в Японии, Корее, Тайване и некоторых других странах.

В системе NTSC передаются три сигнала: яростный и два цветоразностных. Передача цветоразностных сигналов осуществляется в спектре яркостного на одной цветовой поднесущей частоте. Напряжение поднесущей частоты, промодулированное цветоразностными сигналами, называется сигналом цветности. Сумма сигналов яркости и цветности образует полный цветовой сигнал. Для модуляции двумя цветоразностными сигналами одной поднесущей частоты применен метод квадратурной амплитудной модуляции.

В системе NTSC используют не обычные амплитудные модуляторы, а балансные, которые, подавляя поднесущую, оставляют только боковые составляющие спектра. Балансная модуляция имеет определенные преимущества перед обычной амплитудной модуляцией. При одном и том же по сравнению с обычной модуляцией размахе модулирующих сигналов балансная модуляция формирует, как минимум, в два раза меньший по амплитуде сигнал цветности, что снижает ее заметность на экране черно-белого телевизора, для которого сигнал цветности следует рассмат­ривать как помеху. Таким образом, улучшается совместимость систем черно-белого и цветного телевидения.

Несмотря на то, что система NTSC была разработана и введена в эксплуатацию значи­тельно раньше других вещательных систем, принципы, заложенные в ее основу, позволяют ей ос­таваться среди аналоговых вещательных систем конкурентно способной и в настоящее время, а по некоторым параметрам и превосходить другие системы. К основным достоинствам системы можно отнести:

• хорошую совместимость, достигаемую за счет жесткой связи частот разверток с частотой поднесущей и удачного выбора самого значения поднесущей;

• возможность эффективного разделения сигналов яркости и цветности применением в де­кодирующем устройстве вместо полосового и режекторного фильтров гребенчатых фильтров, позволяющих избирательно подавлять или выделять частотные составляющие двух переме­жающихся спектров яркости и цветности;

• высокую помехоустойчивость канала цветности к флуктуационным помехам благодаря применению синхронного детектирования цветоразностных сигналов;

• эффективное использование канала передачи, позволяющее при сравнительно узкопо­лосных сигналах Ej и Eq получить изображение с удовлетворительной цветовой четкостью;

• простоту микширования полных видеосигналов, поскольку изменение амплитуды пол­ного сигнала обусловливает одинаковое изменение, как сигнала яркости, так и цветоразностных сигналов;

• относительную простоту приемных устройств.

Вместе с тем системе NTSC присущи и недостатки, главным из которых является чувстви­тельность системы к так называемым дифференциальным искажениям амплитуды и фазы сиг­нала цветности в канале передачи.

Отсюда вытекают довольно жесткие требования к тракту передачи в отношении диффе­ренциальных искажений.

Жесткие требования к параметрам канала передачи NTSC, в определенной степени ус­ложняющие и удорожающие аппаратуру, а также коммерческие интересы конкурирующих фирм в европейских странах заставили разработчиков искать альтернативные решения в построении вещательных цветных систем. Из большого числа предложений, появившихся к началу 60-х го­дов, признание получили цветные системы SECAM и PAL.

Система цветного телевидения SECAM

Разработка системы была начата во Франции в 50-х годах и претерпела ряд модификаций. В 1965-1966 гг. при сотрудничестве с советскими специалистами была доработана. С октября 1967 г. в СССР и во Франции одновременно было начато регулярное вещание по системе SE­CAM. В процессе эксплуатации продолжалось ее усовершенствование, определившее оконча­тельный вариант системы — SECAM-III6. Кроме Франции и стран бывшего СССР, система SE­CAM получила распространение в Болгарии, Венгрии, Чехословакии, Польше, Люксембурге, Греции, ряде стран Африки, Ближнего и Среднего Востока. Название системы представляет со­бой аббревиатуру из французских слов Sequentiel de Couleurs Avec Memoire, что означает «по- очередность цветов и память».

Так же, как и в системе NTSC, сигналами передачи в системе SECAM являются три сигнала: яркостный и два цветоразностных. Однако в системе SECAM (и это главная ее особенность) в течение каждого строчного интервала передается только один из цвето­разностных сигналов, которые поступают в канал передачи поочередно. Такой принцип передачи позволяет избежать присущих системе NTSC перекрестных искажений между двумя цветоразностными сигналами, которые в системе SECAM благодаря раз­новременной передаче не могут взаимодействовать друг с другом.

Второй важной особенностью системы SECAM является способ модуляции подне- сущей частоты. В современном варианте системы SECAM выбрана частотная модуля­ция, осуществляемая в частотном модуляторе ЧМ.

Основные преимущества системы SECAM вытекают из ее принципа последовательной пе­редачи цветоразностных сигналов и применения частотной модуляции. Они позволяют теорети­чески полностью исключить перекрестные искажения между этими сигналами, в то время как в системе NTSC искажения типа «дифференциальная фаза» или ограничение частотного спек­тра цветового сигнала могут приводить к сильным перекрестным искажениям, заметным в изображении. Это преимущество системы SECAM не всегда эффективно реализуется на практи­ке.

Система SECAM практически нечувствительна к дифференциально-фазовым искажени­ям сигнала цветности.

Система SECAM по сравнению с системой NTSC имеет благодаря ЧМ значительно меньшую чувствительность к изменению амплитуды сигнала цветности, вызываемому неравномерностью АЧХ тракта (в системе NTSC это приводит к искажению насыщенности). По той же причине система SECAM лучше защищена от дифференциально-амплитудных искажений и непостоянст­ва скорости магнитной ленты в видеомагнитофонах.

Наряду с этими, весьма важными достоинствами системе SECAM присущ ряд недостат­ков. Если при благоприятных условиях приема помехоустойчивость систем SECAM и NTSC к флуктуационным шумам примерно одинакова, то при отношении размаха сигнала к шуму 18 дБ и менее качество цветного изображения в системе SECAM заметно ухудшается. Проявляется так называемый пороговый эффект частотной модуляции, когда помеха «захватывает» частотный детектор, т.е. обусловливает непропорционально большую паразитную девиацию поднесущей частоты. При этом спектр шумов преобразуется таким образом, что максимум их спектральной плотности приходится на нижние частоты, вызывая на изображении более заметную крупно­структурную помеху.

Система SECAM, несмотря на значительно меньший, чем в системе NTSC, размах сигнала цветности, обладает худшей совместимостью. В черно-белых телевизорах, где отсутствует режекция поднесущей, ее рисунок более заметен, особенно на вертикальных границах между цветами.

Несмотря на перечисленные недостатки, при благоприятных условиях приема (отношение сигнал/шум больше 18 дБ) для большинства сюжетов система SECAM обеспечивает весьма высо­кое качество изображения, не уступающее системам NTSC и PAL.

Система цветного телевидения PAL

Система PAL была разработана немецкой фирмой Telefiinken и принята в 1966 г. в качестве стандарта в большинстве стран Западной Европы (Германия, Великобритания, Швеция, Авст­рия, Норвегия, Бельгия, Дания, Испания, Италия и др.). В настоящее время система PAL явля­ется самой распространенной в мире системой цветного телевидения. Ее используют, помимо ев­ропейских государств, в большинстве стран Африки, Азии, Австралии, в некоторых странах Южной Америки). Название системы представляет собой аббревиатуру из начальных букв анг­лийской фразы «Phase Alternation Line» (чередование фазы по строкам).

Система PAL, созданная как альтернатива системе NTSC, тем не менее может рассмат­риваться как ее удачная модернизация. В ней используются те же сигналы, что и в других сис­темах цветного телевидения, а передача этих сигналов та же, что и в системе NTSC — путем квадратурной балансной амплитудной модуляции поднесущей частоты, расположенной в спектре яркостного сигнала. Отличие от системы NTSC заключается в том, что фаза одной из квадра­турных составляющих сигнала цветности меняется от строки к строке на 180°. Это позволило устранить основной недостаток системы NTSC — чувствительность к дифференциально- фазовым искажениям, а также получить еще ряд важных преимуществ.

Система PAL, в основе которой лежит передача цветоразностных сигналов путем квадра­турной балансной амплитудной модуляции, обладает теми же достоинствами, что и система NTSC: хорошая совместимость, эффективность разделения сигналов яркости и цветности, вы­сокая помехоустойчивость к флуктуационным шумам и др.

Важным достоинством следует также считать возможность работы системы с частично по­давленной верхней боковой обеих квадратурных составляющих сигнала цветности. Такие ус­ловия работы соответствуют стандартам большинства стран, где разнос несущих звука и изо­бражения составляет 5,5 МГц.

Использование задержанного сигнала в системе PAL не приводит, как в системе SECAM, к мерцанию границ на горизонтальных цветовых переходах. Для системы PAL не характерна, как для системы SECAM, разнояркость строк и их мерцание. Приемник системы PAL менее чувст­вителен к эхосигналам.

К недостаткам системы PAL, причем весьма условно, можно отнести несколько большую сложность приемника по сравнению с системой NTSC (наличие блока задержки) и уменьшение цветовой четкости по вертикали.

2.2 Для опорного белого уравнения кодирующей матрицы имеют вид:

Е_у =0,3Е_к +0,59-Е₃ + 0,11 • Е_с

Найдем яростный и цветоразностные сигналы согласно (2.1) для заданных цветных полос: белой, красной, пурпурной.

Построим осциллограммы сигналов изображения, развернутых по строке для красного, синего и зеленого каналов (рисунок 4).

Рисунок 4 - Сигналы изображения, развернутых по строке для красного, синего и зеленого каналов

Для образования яркостного сигнала необходимо в уравнение для Е_у вместо Е_к,Е₃иЕ_с коэффициенты 1 или 0, показывающие наличие или отсутствие сигнала в соот­ветствующем канале.

Для белой полосы будет Е_у = 0,3 • 1 + 0,59 • 1 + 0,11 • 1 =1

Для красной полосы будет Е_у = 0,3 • 1 + 0,59 • 0 + 0,11 • 0 =0,3

Для пурпурной полосы - Е_у = 0,3 • 1 + 0,59 • 0 + 0,11 • 1 =0,41

Цветоразностные сигналы могут быть получены вычитанием из Е_с или Е_к яркостного сигнала Е_в__у = Е_с - Е_у; E_R__Y = Е_к - Е_у.

Для белой полосы: Е_в__у = 0; E_R__Y = 0

Для красной полосы: Е_в__у =0-0,3=-0,3; E_R__Y =1-0,3=0,7

Для пурпурной полосы: Е_в__у = 1 - 0,41 = 0,59; E_R__Y = 1 - 0,41 = 0,59

Временные диаграммы яркостного сигнала показаны на рисунке 2.2. Здесь же показаны гасящий и синхронизирующий импульсы строки.

Рассчитаем значения проквантованных сигналов яркости и цветности для заданных цветов по соотношениям: при 8-разрядном кодировании: Y= 219Y+16; при 10-разрядном кодировании: Y=876Y+64. Производим расчет:

Для белой полосы

Y₈ = 219 • (1)+16 = 235

Y₁₀ = 876 • (1) +64 = 940

Для пурпурной полосы

Y₈ = 219 • 0,41+16 = 106

Y₁₀ = 876 • 0,41 +64 = 423

Для красной полосы

Y₈ = 219 • 0.3+16 = 82

Y₁₀ = 876 • 0.3+64 = 327

Значения отсчетов сигналов цветности в десятичной форме C_R и С_в равны при 8 - разрядном кодировании:

C_R = 224 E_cr +128;

С_в = 224 Е_св +128, где E_cr и Е_св - масштабированные сигналы цветности, при 10-разрядном кодировании:

C_R = 896 E_cr +512;

С_в = 896 Е_св+512.