Радиотехнические цепи и сигналы. Лазаренко С.В / РТС Заочники 2014 / Лекции ОТВ / Лекция №8

9

Лекция № 8

Тема: Принципы построения ТВ систем стандарта NTSC

Вопросы

1. Способы сжатия спектра сигналов цветного телевидения.

2. Система цветного телевидения NTSC.

Вопрос №1. Способы сжатия спектра сигналов цветного телевидения

Выбор системы цветного телевидения для вещания. Из требований к совместимой системе цветного телевидения вытекает, что сигнал цветного телевидения должен содержать сигнал яркости , который будет приниматься черно-белым телевизором.

Сигнал яркости в системе цветного телевидения может быть получен путем смешения трех сигналов цветности. Относительное их содержание определяется с учетом спектральной чувствительности глаза Одинаковые по интенсивности источники излучений основных цветов вызывают неодинаковое зрительное ощущение яркости. Для принятой в телевизионном вещании цветовой системы уравнение яркости имеет вид

, (8.1)

где , и  коэффициенты передачи при сигналах

цветности.

Сумма коэффициентов передачи при сигналах цветности

.

Так как сигнал яркости обязательно должен присутствовать в совместимой системе цветного телевидения, то, нет необходимости передавать информацию о яркости в сигналах цветности. Следовательно, выражение (8.1) можно преобразовать к виду

. (8.2)

Сигналы цветности , и получили название цветоразностных: цветоразностный красный , цветоразностный зеленый и цветоразностный синий соответственно.

С точки зрения математики выражение (8.2) избыточно. Достаточно знать значения любых двух членов суммы этого выражения, чтобы восстановить третий член. Таким образом, в канал связи могут быть переданы любые два цветоразностных сигнала, а значение третьего может быть вычислено на приемной стороне. Так как в принятой цветовой системе , , вес зеленого наибольший, то с целью сужения полосы частот, занимаемой сигналами цветности, целесообразно исключить именно цветоразностный зеленый сигнал .

В телевизионном приемнике сигнал восстанавливается в соответствии с выражением

, (8.3)

вытекающим из (8.2).

В телевизионном приемнике сигнал яркости поступает на все три катода электронно-лучевой трубки, а цветоразностные сигналы  на управляющие электроды соответствующих им электронных пушек цветного кинескопа. В результате на электронный луч каждой пушки воздействует суммарное напряжение двух сигналов  яркостного и цветоразностного. При суммировании восстанавливаются исходные сигналы цветности:

; и . (8.4)

Рисунок 813  Видимая насыщенность цветов

Частотный спектр полного сигнала цветного телевидения. Экспериментальные исследования показывают, что человеческий глаз плохо различает цвета мелких деталей. С уменьшением линейных размеров видимая цветовая насыщенность становится меньше, цветность постепенно теряется и начинает восприниматься серой. Это особенно характерно для синего и, в меньшей степени, для красного цветов. Данный вывод подтверждается зависимостями видимой насыщенности основных цветов от размеров деталей изображения, приведенными на рис. 8.1. Как видно, детали зеленого цвета сохраняют свою насыщенность практически до верхней границы телевизионного спектра.

Указанное свойство зрения позволяет сократить полосу частот для цветоразностных сигналов и с 6 до 1,5 МГц. При этом суммарная полоса частот сигнала системы цветного телевидения, складывающаяся из полосы частот сигнала яркости, полосы цветоразностного сигнала и полосы сигнала , сократится с 18 до 9 МГц. В то же время полоса частот 9 МГц остается достаточно большой для реализации совместимой системы цветного телевидения.

Возможность дальнейшего уплотнения полосы частот основывается на специфической структуре спектра телевизионного сигнала. Как было показано в первом разделе, спектр сигнала черно-белого телевидения имеет дискретную структуру. В связи с этим энергия яркостного сигнала сосредотачивается в областях частот, кратных строчной частоте . По мере удаления от данных частот амплитуда гармоник, расположенных на частотах, кратных частоте кадров быстро убывает, и в областях частот, кратных нечетному числу полупериодов строчной частоты, располагаются глубокие провалы .

Рисунок 8.2  Перемежение спектров сигнала яркости и цветоразностного сигнала изображения

Так как частоты и постоянны, а свободные промежутки между гармониками спектра сигнала достаточно велики, то в данных промежутках могут быть размещены составляющие спектра цветоразностных сигналов. Для этого сигналы цветности передаются на цветовой поднесущей, частота которой выбирается из условия (рисунок 8.3)

, . (8.5)

Данный метод выбора поднесущей с целью уплотнения общего спектра сигнала называется перемежением или переплетением спектров.

Применение перемежения спектров может привести к появлению взаимных помех. Частотные составляющие сигнала яркости будут вызывать искажения цветности, а цветоразностные  создавать паразитные изображения на экране черно-белого телевизора.

Для уменьшения данных искажений принимают следующие меры (см. рисунок 8.3):

1. поднесущую частоту размещают в области верхних частот спектра сигнала яркости ;

1. амплитуду поднесущей выбирают в раз меньше амплитуды сигнала яркости, что позволяет снизить уровень помех на экране черно-белого телевизора.

Рисунок 8.3  Огибающая спектра совместимой системы цветного телевидения

Высокочастотные колебания сигнала яркости обусловлены наличием мелких деталей изображения. Эти колебания имеют небольшую амплитуду и оказывают малое влияние на составляющие спектра цветоразностных сигналов. В связи с этим величину коэффициента в выражении (4.5) следует выбирать возможно большей. В нашей стране , поэтому при Гц частота поднесущей МГц.

Использование перемежения спектров позволяет добиться уплотнения спектра телевизионного сигнала с 9 до 6 МГц, а, следовательно, реализовать совместимую систему цветного телевидения.

Хотя в процессе создания системы цветного телевидения было предложено большое количество совместимых систем цветного телевизионного вещания, широкое распространение получили лишь три из них  NTSC, PAL и SECAM.

Вопрос №2 Система цветного телевидения NTSC

Система NTSC явилась первой совместимой системой цветного телевидения. В ее основе лежит разработанный еще в 1935 году советскими учеными А.А. Пистолькорсом, Е.Г. Момотом и В.И. Сифоровым метод квадратурной модуляции одной поднесущей частоты двумя цветоразностными сигналами. Разработанная в США система NTSC применяется также в Канаде, Австралии, Японии и в странах Латинской Америки.

Метод квадратурной модуляции заключается в суммировании двух амплитудно-модулированных сигналов, несущие которых имеют одну частоту, но сдвинуты по фазе на 90^о. В результате два сигнала оказываются взаимно независимыми (ортогональными). Функциональная схема модулятора цветоразностных сигналов системы NTSC приведена на рис. 8.4.

Рисунок 8.5  Функциональная схема модулятора цвета системы NTSC

Сигнал с генератора цветовой поднесущей модулируется в одном балансном модуляторе сигналом цветности . Балансная амплитудная модуляция отличается от обычной амплитудной модуляции подавлением несущей частоты. Во втором балансном модуляторе цветовая поднесущая, сдвинутая по фазе на 90^о, модулируется сигналом . На выходах балансных модуляторов образуются сигналы и , которые поступают на вход сумматора. Мгновенное значение выходного сигнала цветности представляет собой геометрическую сумму векторов и (рисунок 4.7), характеризуется амплитудой

(8.6)

Рисунок 8.4  Результирующий вектор цветности

и фазой

. (8.7)

Таким образом, при квадратурной модуляции изменяются амплитуда и фаза результирующего цветового сигнала. При этом амплитуда сигнала характеризует насыщенность цвета, а фаза — цветовой тон.

Для неискаженной передачи цветов на деталях среднего размера спектр частот сигналов и должен составлять 1,31,5 МГц. В отличие от «европейского варианта» системы NTSC, где полоса частот телевизионного канала достаточно широка (6,5 МГц), в американском варианте NTSC вместо сигналов и передаются их линейные комбинации:

; (8.8)

. (8.9)

Можно выразить сигналы и через сигналы основных цветов , и :

; (8.10)

. (8.11)

Выбор сигналов и для передачи цвета обусловлен разнополосностью данных сигналов. Дело в том, что цвет соответствует сине-зеленым и оранжево-красным оттенкам цветов, которые глаз различает на деталях среднего размера. Остальные цвета, в том числе и соответствующие положению вектора , различаются только в более крупных деталях. Поэтому полоса 1,3—1,5 МГц в американской системе NTSC сохраняется только для сигнала , а для сигнала полоса сокращается до значения 0,5 МГц. Для американского варианта NTSC характерно частичное подавление верхней боковой полосы сигнала , что приводит к некоторым дополнительным искажениям цвета на самых мелких цветовых деталях.

Рисунок 8.6  Структурная схема устройства

формирования телевизионного сигнала в системе NTSC

На рисунке 8.6 приведена структурная схема кодирующего устройства для формирования телевизионного сигнала в системе NTSC. Сигналы , и поступают в кодирующую матрицу, в которой осуществляется формирование яркостного и цветоразностных сигналов и . Яркостный сигнал пропускается через фильтр нижних частот c полосой пропускания МГц, а сигналы и — через фильтры с полосой пропускания соответственно и МГц. С выхода фильтров сигналы и подаются на свои балансные модуляторы, на которые поступает также сигнал с генератора цветовой поднесущей. При этом на модулятор сигнал с генератора цветовой поднесущей поступает непосредственно, а на модулятор  через фазовращатель, осуществляющий поворот фазы сигнала цветовой поднесущей на 90°. С выхода модуляторов сигналы и поступают в сумматор, где в результате сложения дают сигнал цветности . В дальнейшем осуществляется сложение сигналов яркости , цветности и сигнала синхронизации , вырабатываемого синхрогенератором, после чего на выходе кодирующего устройства образуется полный телевизионный сигнал . Для того, чтобы уравнять время прохождения сигналов в узкополосном канале и в более широкополосных каналах и , в наиболее широкополосные каналы включены линии задержки на 0,5 и 0,7 мкс соответственно. Сигнал передает информацию только о модуле результирующего вектора и не содержит информацию о его фазе, так как цветовая поднесущая подавляется. Поэтому сигналы цветности не могут быть восстановлены в приемнике без дополнительной информации о фазе цветовой поднесущей. В системе NTSC информация о фазе цветовой поднесущей передается при помощи «сигнала вспышки», который располагается на «правой полке» строчного гасящего импульса и содержит восемь периодов сигнала цветовой поднесущей (рисунок 8.8).

Рисунок 8.8  «Вспышка» цветовой поднесущей

На рисунке 8.7 приведена структурная схема декодирующего устройства системы NTSC. Из полного телевизионного сигнала при помощи полосового усилителя выделяется сигнал цветности , поступающий на синхронные детекторы сигналов и . На эти же детекторы поступает сигнал от местного генератора цветовой поднесущей, причем на синхронный детектор — со сдвигом фазы на 90°. В результате синхронного детектирования из сигнала цветности выделяются сигналы и . Решая систему уравнений (8.8), (8.9) относительно и , получим:

Рисунок 8.7  Декодирующее устройство телевизора системы NTSC

; (8.12)

. (8.13)

На основании (8.3) с учетом (8.12), (8.13) может быть определен третий цветоразностный сигнал

. (8.14)

Таким образом, система уравнений (8.12)(8.14) полностью определяет линейные преобразования сигналов и , которые производит декодирующая матрица. Линия задержки обеспечивает временное согласование разнополосных сигналов и перед подачей на декодирующую матрицу. Восстановление исходных цветовых сигналов , и может осуществляться непосредственно в кинескопе. Для этого цветоразностные сигналы подаются на соответствующие модуляторы кинескопа, а к катодам подводится сигнал .

Для того, чтобы сигнал цветовой поднесущей, вырабатываемый в приемнике местным генератором, являлся синхронным и синфазным с сигналом цветовой поднесущей передатчика, осуществляется автоподстройка частоты генератора по вспышке цветовой поднесущей. Схема формирования сигнала цветовой поднесущей содержит:

1. узкополосный резонансный усилитель вспышки, настроенный на частоту цветовой поднесущей и предназначенный для выделения из общего телевизионного сигнала вспышки цветовой поднесущей;

1. фазовый детектор, на котором сравниваются фазы сигналов вспышки цветовой поднесущей и местного генератора цветовой поднесущей;

1. управляющий элемент, воздействующий на генератор в зависимости от величины и знака рассогласования фаз опорного и местного сигналов цветовой поднесущей.

Система NTSC обеспечивает высокое качество цветного изображения и хорошую совместимость с черно-белым телевидением. В то же время применение квадратурной модуляции в системе NTSC предъявляет высокие требования ко всем звеньям телевизионного тракта. Входные и выходные реактивные сопротивления активных элементов (транзисторов) зависят от положения рабочих точек на динамических характеристиках этих элементов. Так как вспышка цветовой поднесущей передается на постоянном уровне гасящих импульсов, а сигнал цветности — на изменяющихся уровнях, возникают искажения типа «дифференциальная фаза», т. е. непостоянные фазовые сдвиги в тракте, зависящие от уровня яркостного сигнала. Они оказывают существенное влияние на передачу цвета, поскольку цветность определяется фазовым углом. Отклонение фазовой характеристики в канале связи на ±5% приводит к заметным для глаза изменениям цвета. Наряду с этим возникают и искажения типа «дифференциальное усиление», связанные с нелинейностью усилителей. При изменении уровня яркостного сигнала происходит перемещение рабочей точки за пределы линейного участка характеристики, что приводит к изменению уровня сигнала цветности и к изменению насыщенности цветов.