Яркостной и цветоразностные сигналы

 

Для обеспечения совместимости необходимо передавать сигнал, обеспечивающий, на экране монохромного ТВ черно-белое изображение – сигнал яркости или яркостной. Т.е., надо или ставить еще одну трубку с люминофором, соответствующим кривой относительной видности глаза, и передавать 4 сигнала одновременно, или формировать его схемными способами, суммированием сигналов основных цветов в соотношении, определяемом спектральной чувствительностью глаза к основным цветам люминофоров. Приведенные расчеты показали, что для цветов R,G,B относительное содержание основных цветов в яркостном описывается выражением:

 

Е_Y = 0,30E_R + 0,59E_G + 0,11E_B.

 

Для создания такого сигнала используется матрица.

При наличии сигнала яркости нет необходимости передавать по каналу связи сигналы трех основных цветов. Достаточно передавать два из них, а третий можно будет получить в декодирующей матрице, вычитая их из яркостного.

 

Человеческий глаз плохо воспринимает цвета мелких деталей. Связь между размерами детали и требующейся для ее передачи верхней границей полосы частоты, показана на рис. Многочисленные опыты показали, что с уменьшением размеров деталей их видимая цветовая насыщенность становится меньше, причем для разных цветов эти размеры различны. Подобное явление потери цветового зрения связано с различной спектральной чувствительностью глаза (наибольшая для зеленого цвета, средняя для красного и малая для синего). Зависимость этой потери приведена на рис. 5.5.

Рис.5.5. Зависимости цветовой чувствительности глаза от размеров деталей изображения

 

Из рисунка видно, что зеленые мелкие детали сохраняют различимость цвета почти до верхней границы ТВ спектра, в то время как для красных различимость падает около 1,4-1,6 МГЦ, а для синих вообще на 0,6-0,8 МГц. Это позволяет передавать цветовую информацию о двух основных цветах не в полном спектре. Кроме того, т.к. яркостной сигнал несет полную информацию о яркостных соотношениях передаваемых элементов изображения, ее можно исключить из сигналов основных цветов. Т.е. по каналу связи можно передавать Е_У, Е_В-У и Е_R-_У. Эти два сигнала получили название цветоразностных сигналов.

Преимущества передачи цветоразностных сигналов в следующем:

1. Вследствие того, что из этих сигналов частично исключена избыточная информация о яркости, их амплитуда обращается в 0 при передаче серых и белых деталей (на белом амплитуды основных цветов равны = Е_У) и мала на слабонасыщенных местах;

2. Цветоразностные сигналы упрощают построение декодирующих устройств приемника, т.к. исходные цвета могут быть получены простым суммированием цветоразностных сигналов с яркостным. Причем, сигналы основных цветов восстанавливаются сразу в полной полосе частот (высокочастотная часть спектра из яркостного), что упрощает схему декодирования.

В приемном устройстве цветоразностный сигнал получают из первых двух в соответствии с выражением

 

Е_G-Y = -0,51E_R-Y – 0,19E_B-Y.

Уплотнение ТВ спектра. Хотя ограничение спектров цветоразностных сигналов и дает выигрыш по спектру, но все еще сумма полос частот трех сигналов больше, чем одного яркостного. А это не отвечает условию совместимости. Дальнейшая возможность сокращения полосы частот основывается на специфической особенности спектра ТВ сигнала – его линейчатости. Т.к. составляющие яркостного сигнала не заполняют всю ось частот, в промежутках можно разместить спектры цветоразностных сигналов. Как мы уже отмечали амплитуды цветоразностных сигналов заметно меньше основных сигналов (разность), но все равно на экране черно-белого ТВ будут видны дополнительные шумы и мелькания. Чтобы устранить, или хотя бы снизить эту заметность, спектры цветоразностных сигналов помещают на поднесущих частотах как можно ближе к верхней границе ТВ спектра, где в области мелких деталей восприимчивость глаза снижена.

 

 

Структурная схема совместимой системы ЦТ. Структурная схема преобразования и передачи трех сигналов основных цветов по одному каналу связи, изображенная на рис.5.6, является общей для всех современных совместимых систем ЦТ. Различие между системами заключается в методах передачи информации о цветности в спектре яркостного сигнала.

 

Рис. 5.6. Структурная схема совместимой системы ЦТВ

 

 

На вход декодирующей матрицы М1, обобщенная структурная схема которой представлена на рис.5.6, подаются прошедшие обработку и коррекцию в камерном канале сигналы основных цветов. Матрица преобразуется их в сигналы первичных цветов передачи – яркостной и два цветоразностных, в соответствии с выражениями:

 

E_Y = 0,30E_R + 0,59E_G + 0,11E_B

E_R-Y = 0,70E_R - 0,59E_G - 0,11E_B

E_B-Y = -0,30E_R - 0,59E_G + 0,89E_B

Сформированные сигналы трех первичных цветов поступают в кодирующее устройство КУ, где формируется полный цветной ТВ сигнал (ПЦТВС) содержащий:

1. Яркостной сигнал в полной полосе частот;

2. 2 цветоразностных сигнала (R-Y и B-Y) в ограниченной до 1.5.МГЦ полосе частот, которые посредством модуляции одной или двух поднесущих частот, для уплотнения спектра яркостного сигнала размещаются в его высокочастотной части;

3. Сигналы синхронизации приемника;

4. Сигналы цветовой синхронизации.

 

С выхода кодирующего устройства ПЦТВС через канал связи поступает на декодирующее устройства телевизора, где производится обратная операция выделения из общего спектра яркостного сигнала цветовых поднесущих частот, их детектирования для получения двух цветоразностных сигналов с помощью которых в матрице М2 формируется третий цветоразностный сигнал G-Y. Затем при помощи матрицы М3 из яркостного и 3 цветоразностных сигналов формируются исходные RGB сигналы.

 

Рис. 5.6. Обобщенная структурная схема кодирующей матрицы

 

 

Лекция 6. ВЕЩАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Система ЦТВ NTSC

Система ЦТВ SECAM

Система ЦТВ PAL

СИСТЕМА ЦТВ NTSC

Разработана в США в 1950-1953 гг. национальным комитетом телевизионных систем (National Television System Committee) и утверждена в стране как национальный стандарт. Позже была принята в большинстве стран Американского континента, Японии, Корее и др.

В NTSC, обобщенная структурная схема которой представлена на рис 10.1, передается яркостной сигнал и 2 цветоразностных E_I и E_Q. Передача цветоразностных сигналов осуществляется в спектре яркостного на одной поднесущей частоте f_s=3.579545 МГц (рис.6.1.а).Напряжение поднесущей частоты, промодулированное цветоразностными сигналами называется сигналом цветности. Сумма сигналов яркости EY и сигнала цветности Us образует полный цветовой сигнал. Для того чтобы модулировать двумя цветоразностными сигналами одну поднесущую частоту используют метод квадратурной амплитудной модуляции. Сущность его заключается в суммировании двух напряжений поднесущей частоты u_R-Y и u_B-Y, промодулированных каждым из цветоразностных сигналов в отдельных амплитудных модуляторах. Поднесущая частота на модуляторы поступает в квадратуре, т.е. с фазовым сдвигом 90⁰. Полученный сигнал получается промодулированным по амплитуде и по фазе, таким образом фаза результирующего вектора Us (рис.6.1) несет информацию о цвете, а амплитуда Us определяет его насыщенность. В системе NTSC используются балансные модуляторы, которые, подавляя саму поднесущую и, оставляют только боковые полосы. Это позволяет как минимум в 2 раза уменьшить размах сигнала цветности, что уменьшает его заметность на черно-белом телевизоре, а на неокрашенных деталях он вообще = 0(рис.6.1.б). На приемной стороне с помощью синхронных детекторов восстанавливаются исходные сигналы цветности. Для работы синхронных детекторов необходимо опорное напряжение, работающее синфазно с поднесущей, но поскольку поднесущая при балансной модуляции не передается, то во время строчного гасящего импульса после синхронизирующего передается сигнал цветовой синхронизации – пакет колебаний поднесущей из 8-10 периодов – так называемая цветовая вспышка (рис.6.1.в)

Рис. 6.1. Обобщенная структурная схема системы ЦТВ NTSC

 

Для снижения заметности сигнала цветности на черно-белом телевизоре спектр сигналов цветности должен располагаться как можно ближе к f_гр. С другой стороны, между f_гр и f_S должна помещаться боковая полоса сигнала цветности, чтобы он весь разместился в спектре яркостного. Т.к. минимальная полоса В 0,6 МГц, а f_гр = 4,18 МГц, f_S = 3,58 МГц. Чтобы еще снизить заметность сигнала цветности, необходимо, чтобы f_S = (2n+1)f_z/2. Тогда в интервале строки размещается нечетное число полупериодов поднесущей, и рисунок от помехи имеет вид шахматного чередования светлых и темных участков (рис 6.2.б). В смежных кадрах полярность поднесущей меняется на 180⁰ (рис.6.2.а) и участки поменяются местами, т.е. в зрительной системе наблюдателя помеха скомпенсируется.

Рис.6.2. Метод уменьшения заметности помехи от поднесущей частоты

 

Кроме того, при выполнении этого условия составляющие сигнала цветности располагаются точно посередине между строчными и кадровыми гармониками яркостного сигнала, что позволяет с большей точностью разделить эти два спектра. Этот коэффициент достаточно просто получить в синхрогенераторе делением двойной строчной частоты – поэтому выбрали 455 f_стр = 3,579545 МГц. Но выбор такой поднесущей позволяет передать лишь 0,6 МГц сигнала цветности. При этом цветовая четкость по горизонтали оказывается неудовлетворительной. После множества экспериментов нашли возможность передавать нижнюю боковую шириной 1,3 МГц без существенного ухудшения совместимости. В системе NTSC передают один узкополосный сигнал с полосой 0,6 МГц (E_Q), а второй широкополосный – 1,3 МГц (E_I), причем перекрестные помехи будут в спектре узкополосного сигнала на частотах, где подавлена одна боковая, т.е. вне полосы пропускания ФНЧ (0,6МГц).

 

Основные достоинства: - хорошая совместимость за счет жесткой связи частот развертки с поднесущей и удачного выбора поднесущей;

- эффективное использование канала – при сравнительно узкополосных сигналах цветности достигается достаточно высокое качество;

- высокая помехоустойчивость канала цветности благодаря применению синхронного детектирования.

 

Главный недостаток – чувствительность системы к дифференциальным искажениям амплитуды и фазы сигнала цветности из-за возможной модуляции его сигналом яркости, что влечет изменение цветового тона и насыщенности, разной на разноярких участках. Происходит это из-за неточной работы звеньев системы, а потому влечет за собой довольно жесткие требования к параметрам канала передачи, что усложняет и удорожает аппаратуру.

 

 

СИСТЕМА ЦТ SECAM

Разработка начата во Франции в 50-е годы. В 1965-66г. и затем доработана совместно с учеными СССР и с 1967 г. и одновременно начато вещание. Распространена в странах восточной Европы, Ближнего и Среднего Востока, Африки. Названа по французским словам Seguentiel Couleur a Memoire – поочередность цветов и память.

Главная особенность – за строку передается только один цветоразностный сигнал, которые передаются в канал передачи поочередно, что позволяет избежать перекрестных искажений, присущих NTSC. Второй важной особенностью является применение ЧМ поднесущей цветоразностными сигналами. Кроме того, для повышения помехоустойчивости передают сигналы D_R и D_В, где D_R= -1,9E_R-Y и D_В=1,5E_B-Y. Если посмотреть формулы получения цветоразностных сигналов, то видно, что максимум E_R-Y на красном 0,7 и сине-зеленом –0,7, а E_B-Y - на желтом 0,89 и синем –0,89. Это приводит к разной девиации частоты у этих сигналов. Введение коэффициентов устраняет это (1,9х0,7=1,5х0,89=1,33). Выбор знака минус объясняется так: статистические исследования показали, что в красном преобладают положительные значения, а в синем – отрицательные. Изменив знак красного добиваются, что в обоих сигналах преобладает отрицательная девиация частоты, что повышает устойчивость системы к ограничению верхней боковой полосы сигнала цветности, возникающее в каналах связи (что особенно важно для тех стран, где уменьшена полоса частот яркостного сигнала).

Применение ЧМ дает выигрыш в помехоустойчивости при выборе индекса модуляции больше 1 (широкополосная ЧМ). Использовать это в SECAM невозможно из-за необходимости ограничения спектра сигналов цветности. Здесь индекс модуляции в среднем равен 0,2. Кроме того, приходится существенно уменьшить размах цветоразностных сигналов. В NTSC он достигает 120% яркостного, что благодаря отсутствию поднесущей почти незаметно на черно-белом приемнике. В SECAM ЧМ поднесущая воспринимается сильнее и приходится уменьшать размах цветоразностных сигналов до 20-25% яркостного. Все это делает ее крайне уязвимой к шумовым помехам, и без специальных коррекций, которые представлены на рис.6.3, она не смогла бы конкурировать с другими системами.

 

Рис.6.3. Методы повышения помехоустойчивости системы SECAM

 

Одна из них – НЧ коррекция (рис. 6.3.а), основанная на специфическом для ЧМ спектральном распределении шума на выходе частотного дискриминатора – треугольником. Тогда максимум шума сосредоточен в верхней части спектра и, использовав цепь коррекции с АЧХ 2, можно достичь заметного улучшения отношения сигнал/шум. Однако верхние частоты сигнала также будут подавлены. Чтобы не возникли эти искажения на передающем конце производят предкоррекцию 3, которая поднимает ВЧ составляющие спектра цветоразностных сигналов на столько, на сколько они будут подавлены в приемнике. При этом для сигнала изменений не происходит, но шумы канала связи будут подавлены. Еще один вид коррекции производится до ЧД и потому получил условное название ВЧ коррекции (рис.6.3.б). Она основана на механизме взаимодействия сигнала и шума и проникновении составляющих шума на выход ЧД. Это взаимодействие будет проявляться как дополнительная девиация частоты полезного сигнала помехой, зависящая от амплитуды шума и разности частот его и сигнала. Поэтому в телевизоре корректирующей цепью подавляют ВЧ составляющие цветоразностных сигналов, а на передающей стороне их поднимают.

Предискажение сигнала на передающей стороне 3 сводится к увеличению амплитуды ЧМ сигнала в зависимости от величины девиации, т.е. сигнал цветности приобретает еще и АМ. После прохождения сигнала через ВЧ корректор АМ исчезает и он приобретает первоначальную форму. Этот способ дает заметный выигрыш не для всех цветов, потому что частота настройки корректора постоянна, а частота поднесущей меняется в зависимости от передаваемого цвета. После изучения вопроса перешли на передачу сигналов цветности на двух разных поднесущих: красный 4406,25 кГц (282 f_стр), синий 4250 кГц (272 f_стр), а цепь коррекции настраивают на частоту, находящуюся между поднесущими – 4286 кГц.

Достоинства системы SECAM:

 

1. Теоретически полностью исключены перекрестные искажения между сигналами цветности, хотя из-за несовершенства работы коммутаторов они все-таки могут проходить;

2. Нечувствительность к дифференциально-фазовым искажениям (для NTSC – 10-12⁰);

3. Меньшая чувствительность к изменениям амплитуды сигналов цветности.

 

Недостатки:

1. Большая восприимчивость к флуктуационным помехам, особенно при достаточно малых сигналах;

2. Худшая совместимость: в черно-белых телевизорах из-за отсутствия режекции поднесущих ее структура достаточно заметна;

3. Сильнее проявляются перекрестные искажения яркость-цветность;

4. Хуже цветовая четкость из-за последовательности передачи цветов, что особенно сказывается на горизонтальных границах насыщенных цветов – получается комбинация цветов.