Введение - Разработка схем кодера PAL

В настоящее время в эксплуатации находятся три основные совместимые системы цветного телевидения - SECAM, NTSC и PAL. Независимо от типа системы датчики сигналов (телевизионные датчики, телекинопроекторы и т. п.) формируют сигналы трех основных цветов: красного ЕR, зеленого ЕG и синего ЕB. Эти же сигналы управляют токами лучей в электронных прожекторах цветного кинескопа в телевизоре. Изменяя соотношение сигналов на катодах кинескопа, можно получить любой цветовой тон в пределах цветового треугольника, определяемого цветовыми координатами применяемых люминофоров /1/ (принципы колориметрии подробно рассмотрены в /2, 3/.

Различия между системами цветного телевидения состоят в методах получения из сигналов основных цветов так называемого полного видео сигнала, которым модулируется несущая частота в телевизионном передатчике. Такое преобразование необходимо для того, чтобы поместить информацию о цветном изображении в полосе частот черно-белого сигнала. В основе такого уплотнения спектров сигналов лежит особенность зрительного аппарата человека, состоящая в том, что мелкие детали изображения воспринимаются как неокрашенные.

Сигналы основных цветов преобразуются в широкополосный сигнал яркости ЕY, соответствующий сигналу яркости черно-белого телевидения, и три узкополосных сигнала, несущих информацию о цвете. Это так называемые цветоразностные сигналы. Они получаются вычитанием из соответствующего сигнала основного цвета сигнала яркости, например "красный" цветоразностный сигнал ЕR-Y = ЕR-ЕY. Сигнал яркости получают сложением в определенной пропорции трех сигналов основных цветов

EY = rER + gEG + bEB.

Выбор коэффициентов r, g и b определяет цвет получаемого белого. Аппаратура цветного телевидения рассчитана на использование так называемого белого С. Это цвет облачного неба. Он соответствует цвету свечения абсолютно черного тела при температуре 6500С. Люминофоры черно-белых кинескопов имеют более ''холодный'' (голубоватый) цвет свечения. Для белого С формула сигнала яркости имеет вид

EY = 0.299ER + 0.587EG + 0.114EB.

Штрихи означают, что сигналы прошли цепи - коррекции, компенсирующие искажения, вызванные нелинейной зависимостью яркости свечения экрана кинескопа от амплитуды модулирующего сигнала. Цветоразностные сигналы могут быть получены непосредственно из сигналов основных цветов, например

ER - Y = ER - EY = 0.701ER - 0.587EG - 0.114EB;

EB - Y = EB - EY = - 0.299ER - 0.587EG+ 0.886EB;

Рассмотренные преобразования осуществляются с помощью матричных схем, выполненных из резисторов и инверторов.

Если известны два цветоразностных сигнала, то третий может быть получен из следующего соотношения

EG - Y = - (0.299/0.587) ER - Y - (0.114/0.587) EB - Y = 0.509ER - Y - 0.194EB - Y.

Кодер схема pal

Поэтому во всех цветных телевизионных системах передаются только сигналы яркости EY и два сигнала, несущие информацию о цвете, например EB - Y и ER - Y. Сигнал EG восстанавливается в приемнике.

Для передачи цветоразностных сигналов используется цветовая поднесущая частота, лежащая в пределах спектра сигнала яркости. Различия между системами цветного телевидения состоят в способах модуляции поднесущей и в тех мерах, которые приняты для уменьшения взаимных помех между цветовой поднесущей и сигналом яркости.

Первой, нашедшей практическое применение, системой цветного телевидения стала система NTSC /1/. В этой системе полный цветовой телевизионный сигнал содержит в каждой строке составляющую яркости EY и сигнал цветности, передаваемый с помощью поднесущей, частота которой соответствует 455-й гармонике полустрочной частоты и составляет 3,579545 МГц. Такое соотношение поднесущей и полустрочной частот обеспечивает снижение до минимума заметности помехи от поднесущей на окрашенных участках цветного изображения. Цветовая поднесущая модулируется в каждой строке двумя сигналами цветности. Чтобы сигналы цветности не создавали взаимных помех, в системе NTSC применена квадратурная балансная модуляция. Сигналами цветности, которые модулируют цветовую поднесущую, выбраны (в соответствии с особенностями зрительного аппарата человека и отведенной полосой частот) следующие сигналы

EI = 0.877 ER-Y cos33 - 0.493 EB-Ysin33 = 0.737 ER-Y - 0.286EB-Y;

EQ = 0.877 ER-Y sin33 + 0.493 EB-Ycos33 = 0.478 ER-Y + 0.413EB-Y.

Ширина спектра сигнала EI составляет 1,3МГц, а сигнала EQ - 0,5МГц.

Система NTSC имеет ряд достоинств. Использование осей I и Q позволяет уплотнить передаваемую информацию и обеспечить высокую цветовую четкость при относительно узкополосном канале передачи. Структура спектров сигналов яркости и цветности NTSC позволяет эффективно разделять информацию с помощью гребенчатого фильтра. Вместе с тем, системе NTSC присущи и недостатки, главным из которых является ее высокая чувствительность к искажениям сигнала в канале передачи. Так как цветовая поднесущая передается в виде синусоидальной насадки на сигнале яркости EY, нелинейность в канале передачи приводит к тому, что поднесущая оказывается промодулированной по амплитуде и фазе сигналом яркости.

Искажения сигнала в виде амплитудной модуляции называются дифференциальным усилением. В результате таких искажений цветовая насыщенность ярких и темных участков изображения получается разной.

Искажения в виде фазовой модуляции цветовой поднесущей сигналом яркости называются дифференциально-фазовыми искажениями. Они вызывают изменения цветового тона в зависимости от яркости данного участка изображения.

Основной целью при разработке систем цветного телевидения PAL и SECAM было устранение недостатков системы NTSC.

Система SECAM в первоначальном виде была предложена в 1954 году. Основная особенность системы - поочередная, через строку передача цветоразностных сигналов с дальнейшим восстановлением в приемнике недостающего сигнала с помощью линии задержки на время строчного интервала.

Информация о цвете в системе SECAM передается с помощью частотной модуляции цветовой поднесущей. Для модуляции используются сигналы DR и DB, линейно связанные с цветоразностными сигналами

DR = -1,9ER-Y; и DB = 1,5EB-Y.

Частоты покоя цветовой поднесущей в строках B и R различны и составляют

F0B = 4250 2 кГц = 272fc;

F0R = 4406.25 2 кГц = 282 fc.

Сигналы EY, DR и DB в кодирующем устройстве формируются из сигналов основных цветов с помощью матрицы. Как и в любой системе с частотной модуляцией, для уменьшения влияния шумов модулирующие сигналы подвергаются низкочастотным предыскажениям, кроме того, модулированная поднесущая проходит цепь высокочастотных предыскажений, которая уменьшает амплитуду поднесущей при отсутствии модуляции, что снижает помехи от поднесущей на экране телевизора.

Так как в системе SECAM сигналы цветности передаются поочередно через строку, а в приемнике недостающий сигнал восстанавливается с помощью линии задержки, то цветовая четкость по вертикали снижается вдвое. Применение частотной модуляции и амплитудных ограничителей в канале цветности приемника обуславливает малую чувствительность данной системы к действию искажений типа ''дифференциальное усиление''.

Невелика чувствительность и к дифференциально-фазовым искажениям. На цветовых полях, где яркость постоянна, дифференциально-фазовые искажения в системе SECAM никак не проявляются.

Совершенно иной результат получается на цветовых переходах, где сигнал яркости меняется скачком или плавно. В этом случае в области цветового перехода возникает паразитное приращение частоты поднесущей. Так как знаки девиации частоты в сигналах UR и UB различны, искажения демодулированных цветоразностных сигналов имеют разную полярность. Чем больше скорость изменения сигнала EY, тем большими получаются искажения цветоразностных сигналов на переходах. На экране телевизора эти искажения проявляются как цветные окантовки или тянущиеся продолжения на переходах. Допуск на искажения типа ''дифференциальная фаза'' в канале SECAM составляет около 30, т. е. в 6 раз шире, чем в системе NTSC /1/.

Система PAL /1/. разработана фирмой " Телефункен " в 1963 году. Целью создания системы PAL было устранить основной недостаток системы NTSC - чувствительность к дифференциально - фазовым искажениям. В дальнейшем выяснилось, что система PAL имеет ряд преимуществ, которые первоначально не казались очевидными.

В системе PAL применена квадратурная модуляция цветовой поднесущей сигналами цветности. В качестве модулирующих сигналов использованы E'V = 0,877 . E'R-Y и E'U = 0,493 . E'B-Y. Фаза составляющей UU одинакова в каждой строке. Составляющая UV, например, на четных строках положительна, а на нечетных - отрицательна. Геометрическая сумма векторов Uu и Uv образует сигнал цветности. Как и в системе NTSC, амплитуда суммарного вектора соответствует насыщенности передаваемого участка изображения, а его фаза (угол между этим вектором и осью B-Y) определяет цветовой тон. Если в системе NTSC при передаче цветового поля угол постоянен, то в системе PAL его знак меняется каждую строку. Отсюда и название системы ''Строки с переменной фазой'' (Phase alternation line). Для восстановления в приемнике подавленной цветовой поднесущей предусмотрена передача в интервале гашения по строке вспышки поднесущей. Вспышка состоит из десяти периодов цветовой поднесущей. В отличие от NTSC фаза вспышки не совпадает с осью B-Y, а сдвинута относительно нее на угол 45. Знак этого угла инвертируется от строки к строке одновременно с инвертированием знака составляющей UV. Изменение знака фазы вспышки является информацией о знаке составляющей UV.

Наиболее часто используемый вариант декодера сигнала цветности PAL - с линией задержки. Задержанный сигнал цветности складывается с прямым сигналом и вычитается из него. При сложении составляющие UV подавляются (т. к. эта составляющая инвертируется от строки к строке), а амплитуды составляющих UU удваиваются. При вычитании - подавляются составляющие UU, а удваиваются амплитуды составляющих UV. Поэтому уже на выходе блока задержки, составляющие UU и UV полностью разделяются, что исключает возможность появления перекрестных искажений в последующих цепях. Эта особенность является важнейшим преимуществом системы PAL по сравнению с системой NTSC.

Таким образом, дифференциально-фазовые искажения не вызывают в канале цветности PAL искажений демодулированных сигналов, соответствующих нарушению цветового тона, а лишь уменьшают насыщенность изображения. Аналогичные искажения получаются, если опорная поднесущая восстанавливается в генераторе с неправильной фазой. Если считать допустимым уменьшение размахов демодулируемых сигналов до 0,9 от номинального значения, то допуск на фазу опорного сигнала составит arccos0.9 = 26. В системе NTSC фазовая ошибка генератора опорной поднесущей не должна превышать 10.

Не проводя подробного анализа, отметим /4/, что система PAL малочувствительна к асимметрии полосы пропускания канала цветности. Поэтому нет необходимости прибегать к использованию осей I и Q, как в системе NTSC.

Система PAL имеет преимущества по отношению к системе NTSC и в части влияния шумов. Как уже было показано, на выходах блока задержки выделяются удвоенные амплитуды составляющих. Эти искажения зависят от выбора частоты цветовой поднесущей. Если, как в системе NTSC, принять частоту поднесущей равной нечетной кратной полустрочной частоты, то мешающий рисунок от нее будет наименее заметным для составляющей UU, которая не коммутируется. Для составляющей UV из-за ее инвертирования этот выбор частоты оказывается неоптимальным, и наименьшие помехи на изображении получаются, когда частота поднесущей кратна строчной частоте. В системе PAL пошли на компромисс между двумя этими условиями и выбрали частоту поднесущей равной сумме нечетной кратной четвертьстрочной частоты и частоты кадров

Fpal =1135fстр/4 + f к = 4,43361875 МГц.

Слагаемое fк учитывает чересстрочность развертки и обеспечивает чередование на соседних полях в одном и том же месте растра темных и светлых точек, составляющих помеху от поднесущей, что уменьшает ее заметность.

Для выбранного значения частоты поднесущей длительность периода ее колебания составляет Тpal=225,5494 нс.

Рассмотрим еще один вид искажений, которые могут возникать в канале цветности PAL. Если генератор опорной поднесущей работает правильно и его выходной сигнал совпадает по фазе с осью R-Y, из-за неточности фазовращателя опорный сигнал, поступающий на синхронный детектор сигнала EB-Y, не будет совпадать с осью B-Y. Эта ошибка называется неточностью квадратуры. В приемнике NTSC такая ошибка создает перекрестные искажения между двумя сигналами цветности. В блоке задержки PAL составляющие UV и UU полностью разделяются. Поэтому неточность квадратуры вызовет лишь уменьшение размаха демодулированного сигнала в cos раз. Допустимое значение составляет 26.

Таким образом, в системе PAL благодаря коммутации на передающей стороне фазы составляющей UV и использованию в приемнике блока задержки фазовые погрешности в большинстве цепей канала цветности могут быть существенно увеличены по сравнению с каналом NTSC. Уменьшение чувствительности к фазовым погрешностям достигается за счет усреднения сигналов цветности в двух последующих строках, что приводит к понижению вертикальной четкости в два раза по сравнению с NTSC. Эта особенность является недостатком системы PAL.

Вид полного цветового телевизионного сигнала, а также его спектр для трех рассмотренных систем цветного телевидения приведены в Приложении А.

Ознакомимся с параметрами цифровых телевизионных сигналов на основании рассмотрения ряда общих принципов построения систем и устройств цифрового телевидения и процессов, происходящих в цифровом телевизионном тракте /5/.

Непрерывный аналоговый телевизионный сигнал несет информацию об отдельных элементах изображения и может принимать любое значение, например, от 0 до 1 В. При формировании цифрового ТВ сигнала каждому отсчету соответствует группа импульсов, которые могут иметь только два значения: 0 или 1. Из этого вытекает главное преимущество цифровой формы представления - высокая помехозащищенность, объясняющаяся тем, что на приемной стороне не столь существенны искажения формы отдельных импульсов, а важно только обнаружить, передавался в заданный момент времени импульс или нет. Решить такую задачу легче, чем обеспечить неискаженную передачу формы аналогового сигнала.

Первым шагом на пути унификации и стандартизации параметров вещательных систем цифрового телевидения можно считать разработку в МККР. Рек. 601 /6, 7, 8/, в которой приводятся значения основных параметров цифрового кодирования ТВ сигнала для аппаратно-студийных комплексов (АСК) телецентров, работающих со стандартом развертки как 625 (50 полей в секунду), так и 525 строк (60 полей в секунду).

В АСК предусматривается раздельное кодирование сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов. Исходя из того, что для получения телевизионных изображений высокого качества нужно иметь полосу частот сигнала яркости около 6 МГц, частота дискретизации должна несколько превышать 12 МГц, а ее номинальное значение нужно выбирать с учетом необходимости получения ортогональной структуры отсчетов на ТВ изображении. Последнее выдвигает требование, чтобы частота дискретизации была кратна строчным частотам систем с разверткой на 525 и 625 строк.

Наименьшее кратное строчных частот fстр(625) =15625 Гц и fстр(525)= 15734,26573 Гц соответствует 2,25 МГц = 143fстр(525) = =144fстр(625). Для дискретизации сигнала яркости выбрана частота 13,5МГц = 2,256 МГц. Унифицирована длительность цифровой активной части строк в двух системах развертки - на нее приходится одинаковое число отсчетов. Для сигнала яркости 720 отсчетов, а для каждого из цветоразностных сигналов по 360.

С учетом необходимости образования фиксированной структуры отсчетов выбранная частота дискретизации цветоразностных сигналов равна половине частоты дискретизации сигнала яркости, то есть 6,75 МГц. Поэтому рассмотренный стандарт цифрового кодирования условно обозначают 4 : 2 : 2, что отражает двоичное соотношение частот дискретизации сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов, а также одновременность их передачи. Для передачи цветового ТВ сигнала с высоким качеством необходимо примерно 256 уровней квантования. Используют линейное восьмиразрядное кодирование сигнала яркости и каждого цветоразностного сигнала.

Похожие статьи




Введение - Разработка схем кодера PAL

Предыдущая | Следующая