Принципы построения систем цветного телевидения. Современное цветное телевидение базируется на теории трехкомпонентного цветового зрения, из которой следует, что смешением трех основных спектральных цветов, взятых в определенных пропорциях, можно получить все возможные цвета. При этом основные цвета должны быть линейно-независимыми, т.е. ни один из них не может быть получен путем смешения двух других. В качестве основных обычно берутся следующие цвета монохроматического излучения: красный (R) с длиной волны =700,1 нм, зеленый (G)-=546,1 нм, синий (B)-=435,8 нм. Например, равноэнергетический белый цвет можно получить смешением в равной пропорции основных цветов R, G, B.

Для передачи по телевидению многоцветное изображение объекта на передающей стороне должно быть разделено на три одноцветных изображения (в красном, зеленом и синем цветах). Далее видеосигналы Е, Е, Е данных одноцветных изображений следует передать по каналу связи по аналогии с черно-белым ТВ. На приемной стороне для получения цветного изображения объекта необходимо воспроизвести три одноцветных изображения и осуществить их совмещение.

Важнейшим требованием, предъявляемым к системам цветного ТВ, является совместимость, означающая:

1. возможность приема цветных передач в черно-белом виде на существующие черно-белые
   телевизоры (прямая совместимость);
2. прием сигналов черно-белого ТВ на цветные телевизоры (обратная совместимость);
3. передачу сигналов цветного и черно-белого ТВ по одному и тому же каналу связи (в полосе частот черно-белого ТВ).

Для обеспечения совместимости в цветном ТВ необходимо иметь сигнал, который создавал бы нормальное черно-белое изображение с правильным воспроизведением градаций яркости цветного объекта. Поэтому в совместимых системах цветного ТВ из полученных на передающем конце видеосигналов основных цветов E, EЕ формируется яркостный сигнал Е

E=0.3E+0.59E+0.11E, (8.1)

в котором численные значения коэффициентов, определяющих долю напряжений видеосигналов основных цветов, выбраны с учетом характеристик принятого опорного белого цвета D (источника с цветовой температурой 6500К, соответствующего излучению дневного облачного неба) и координат цветности люминофоров современных цветных кинескопов. Яркостный сигнал Е в соответствии с выражением (8.1) формируется с помощью кодирующей матрицы, которая представляет собой резистивные делители напряжения с общей нагрузкой.

Кроме яркостного сигнала, в совместимой системе цветного ТВ необходимо передавать информацию о цветности. Практически достаточно передавать на приемную сторону только два цветных сигнала, например, E и Е. Третий цветовой сигнал Е может быть легко получен на приемном конце матрицированием на основании уравнения (8.1). Однако непосредственная передача сигналов Е и Е нецелесообразна, поскольку данные сигналы, кроме информации о цвете, содержат избыточную информацию о яркости, которая уже имеется в сигнале Е. Поэтому во всех совместимых системах цветного ТВ передаются цветоразностные сигналы

которые формируются вычитанием из Е и Е яркостного сигнала Е. Особенность цветоразностных сигналов заключается в том, что они не содержат информации о яркости. Например, их амплитуда равняется нулю при передаче белых или серых участков изображения, когда E = E = Е = Е, и мала на слабо насыщенных цветах. Так как такие цвета обычно преобладают, то средняя амплитуда цветоразностных сигналов гораздо меньше максимальной и много меньше той средней амплитуды, которая была бы при передаче сигналов Е_R, Е_G, Е. Это намного улучшает помехоустойчивость и совместимость систем цветного
ТВ. Причем цветоразностные сигналы достаточно передавать в сокращенной полосе до 1,5 МГц. Это объясняется особенностями зрительного восприятия цветных изображений. Экспериментальные исследования показали, что цветными зрительный аппарат человека воспринимает только крупные и средние детали изображения. Мелкие детали, которым соответствуют частоты цветоразностных сигналов более 1,5 МГц, достаточно воспроизводить черно-белыми, при этом общая оценка качества цветного изображения практически не ухудшится.

В совместимых системах цветного ТВ яркостный и цветоразностный сигналы должны передаваться в стандартной полосе частот черно-белого ТВ. Для этого используется уплотнение спектра яркостного сигнала сигналами цветности.

Практически в спектр яркостного сигнала вводятся одна или две поднесущие частоты, промодулированные двумя цветоразностными сигналами. Способ передачи и приема цветоразностных сигналов и различает между собой современные вещательные системы цветного ТВ. В настоящее время в различных странах мира эксплуатируются три вещательные системы цветного телевидения. Например, в США разработана цветная система с квадратурной модуляцией поднесущей частоты NTSC (National Television System Committee, т.е. система, предложенная национальным комитетом ТВ систем). Система NTSC используется в 54 странах мира с населением 870 млн. человек. В ФРГ разработана система с квадратурной модуляцией и строчно-переменной фазой PAL (Phase Alternation Line). Система PAL эксплуатируется в 81 стране мира с общим населением 3,5 млрд. человек. В нашей стране и еще в 60 странах мира с населением 760 млн. человек используется система цветного телевидения с последовательной передачей цветоразностных сигналов и частотной модуляцией поднесущих SЕСАМ-III.

Система цветного телевидения SECAM-III. Отличительной особенностью этой системы является использование ЧМ для передачи цветоразностных сигналов. ЧМ принята для уменьшения дифференциальных искажений, т.е. зависимостей фазы поднесущей (искажения типа дифференциальная фаза) и ее амплитуды (дифференциальное усиление) от уровня яркостного сигнала. Последовательная передача ЧМ сигналов цветности практически освобождает данную систему от фазовых искажений, влияющих на качество цветопередачи. Кроме того, в системе SECAM-III устраняются перекрестные искажения между сигналами цветности и связанные с ними искажения цветового тона, так как в каждый момент времени по каналу цветоразностный сигнал модулирует по частоте свою поднесущую. Поднесущие являются гармониками строчной частоты и отстоят друг от друга на 10 строчных интервалов:

f = 282 f = 4,40625 МГц ± 2 кГц,

f = 272 f, = 4,25 МГц ± 2 кГц,

где f = 15625 Гц – частота строчной развертки.

Выбор двух поднесущих частот позволил при сохранении совместимости системы повысить помехоустойчивость передачи.

Возможность поочередной (через строку) передачи сигналов цветности основывается на особенностях зрительного аппарата человека. Так как мелкие детали изображения воспринимаются черно-белыми, то и в вертикальном направлении допустимо увеличение примерно в 4 раза размера деталей изображения, воспроизводимых цветными.

Для улучшения совместимости и помехоустойчивости на частотный модулятор передающего устройства поступают несколько видоизмененные цветоразностные сигналы, которые принято обозначать символами D и D. Эти сигналы формируются из цветоразностных сигналов E и Е следующим образом:

D = -1,9Е, D = 1,5Е.

Введение коэффициентов при Е и E обеспечивает одинаковые максимальные девиации частот. Знак минус в уравнении для сигнала D говорит об инвертировании этого сигнала. Делается это для того, чтобы при передаче наиболее часто встречающихся цветов (красного, оранжевого, желтого) уменьшить видность поднесущей на экранах телевизоров и избежать ограничения поднесущей в тракте передачи изображения.

На видность поднесущих на экранах телевизоров влияет ее размах. Поэтому поднесущие передаются с компрессией. Практически уровень поднесущих выбирается равным приблизительно 20% от размаха яркостного сигнала Е. Для примера на рисунке 8.5 представлены совмещенные спектры системы SECAM-III.

Рисунок 8.5. Совмещенные спектры сигналов системы SECAM-III

Рисунок 8.6. Структурная схема кодирующего устройства SECAM-III

Формирование всех сигналов системы SECAM, передаваемых по каналу связи осуществляется в кодирующем устройстве (рисунок 8.6). Видеосигналы основных цветов , , , подвергнутые гамма-коррекции (знак штрих означает гамма-коррекцию сигналов), с выхода камерного канала поступают на кодирующую матрицу 1, с помощью которой формируется сигнал яркости и два цветоразностных сигнала и В устройствах 6, 7 сигналы и подвергаются низкочастотным предыскажениям. Электронный коммутатор 8 обеспечивает поочередное переключение цветоразностных сигналов от строки к строке. Ограничение спектра частот чередующихся во времени сигналов и осуществляется с помощью ФНЧ 9. Перед подачей сигналов и на вход частотно-модулированного генератора (ЧМГ) 11 они подвергаются ограничению по амплитуде в амплитудном ограничителе 10. Необходимость амплитудного ограничения объясняется появлениям в сигналах цветности выбросов, возникающих на цветовых переходах в результате действия низкочастотных предыскажений. В ЧМГ осуществляются генерирование и модуляция поднесущих, причем сигналы и модулируют разные поднесущие. Поэтому на ЧМГ подается напряжение U1, представляющее собой симметричные импульсы полустрочной частоты, изменяющие частоту покоя частотного модулятора от строки к строке. После ЧМГ сигнал поступает на блок коммутации фазы поднесущих 12, который меняет на 180° фазу поднесущих частот в начале каждой третьей строки и каждого поля. Это делается для улучшения совместимости, так как уменьшает заметность помех от поднесущих на экранах телевизоров. Следующим элементом кодирующего устройства, через который проходят сигналы цветности, является схема высокочастотных предыскажений 14, увеличивающая амплитуду частотно-модулированных составляющих, формируемых ЧМГ. В блоке подавления поднесущих 13 канал цветности отключается в интервалы времени, соответствующие передаче сигналов синхронизации для ТВ приемников. Это необходимо для того, чтобы колебания поднесущих не наложились на импульсы синхронизации.

В канал яркости кодирующего устройства входят усилитель 2, линия задержки (ЛЗ) 3, корректор перекрестных искажений 4. В суммирующем устройстве 5 складываются сигналы цветности с яркостным сигналом и импульсами синхронизации для приемных устройств. С помощью ЛЗ осуществляется совмещение во времени сигналов яркости и цветности, которые поступают на сумматор 5. Необходимость включения ЛЗ обусловлена дополнительной задержкой сигналов , в устройствах предыскажений, ФНЧ и ЧМГ. Корректор перекрестных искажений предназначен для уменьшения помех в телевизоре, возникающих из-за биений между сигналами цветности и высокочастотными составляющими яркостного сигнала.

Отличительной особенностью системы SECAM-III являются предыскажения цветоразностных сигналов перед их передачей по каналу связи, осуществляемые в кодирующем устройстве. Для повышения помехоустойчивости в кодирующем устройстве обеспечивается подъем высокочастотных составляющих цветоразностных сигналов и с помощью корректирующего фильтра, частотная характеристика которого в децибелах определяется по модулю следующим выражением:

Рисунок 8.7. Характеристика цепи низкочастотных предыскажений сигнала изображения

K(f) = 10 lg,

где f=85 кГц - экспериментально установленное значение постоянной частоты, для которой К=0 дБ. Поскольку предыскажениям подвергаются немодулированные, т.е. низкочастотные сигналы цветности, то данный вид предыскажений называется низкочастотным.
В графической форме частотная характеристика корректирующего контура, осуществляющего низкочастотные предыскажения, представлена на рисунке 8.7.

Другой вид предыскажений, применяемый в системе SECAM-III, - это высокочастотные предыскажения, которым подвергаются ЧМ сигналы цветности. Действие предыскажений проявляется в увеличении амплитуды поднесущей частоты при отклонении от ее номинального значения. Предыскажения осуществляются с помощью электрической цепи, коэффициент передачи К₂ которой в децибелах определяется по формуле:

К(f) = 10 lg [(f)],

где [(f)] = (1+256x)/(1+1,6x), а x = f/f- f/f; f= 4,28б МГц.

С помощью этого предыскажения ослабляется заметность поднесущих на черно-белом изображении при передаче малонасыщенных цветов и повышается помехоустойчивость передачи сигналов цветности. Графически зависимость коэффициента передачи цепи высокочастотных предыскажений изображена на рисунке 8.8.

Процесс поочередной передачи сигналов цветности требует их опознавания в приемных устройствах. Для этого в системе SECAM-III с частотой полей передаются сигналы цветовой синхронизации. Сигнал опознавания формируется в кодирующем устройстве телецентра в виде серии из 9 импульсов трапецеидальной формы отрицательной полярности, передаваемых после второй группы уравнивающих импульсов во время действия КГИ.

Сигнал цветовой синхронизации занимает строки 7-15 в нечетных полях и 320-328 - в четных.

Рисунок 8.8. Характеристика цепи высокочастотных предыскажений

Причем длительность каждого трапецеидального импульса соответствует временному интервалу развертки одной строки изображения. Сигнал опознавания цвета U_оп вводится в кодирующую матрицу передающего оборудования системы SECAM-III в оба цветоразностных сигнала _R-Y и _B-Y до их преобразования в и . После преобразования цветоразностных сигналов вместе с сигналом Е'_R-Y меняет полярность и его сигнал опознавания. Поэтому трапецеидальные импульсы в сигнале D'_Rимеют положительную полярность, а в сигнале _B - отрицательную (рисунок 8.9). На выходе кодирующего устройства сигнал цветовой синхронизации представляет собой пакеты цветовых поднесущих, модулированных импульсами трапецеидальной формы.

Рисунок 8.9. Форма сигнала цветовой синхронизации

Рисунок 8.10. Структурная схема декодирующего устройства SECAM-III

В приемном декодирующем устройстве (рисунок 8.10) полный сигнал Е'_Y после видеодетектора усиливается в усилителе 1 и разделяется на два канала: яркостной и цветовой информации. Сигнал Е'_Y проходит через ЛЗ 2, аналогичную таковой в кодирующем устройстве, и режекторный фильтр 3, подавляющий в сигнале яркости частотно-модулированный сигнал цветности.

В канале цветности сигналы D'_R, D'_B поступают на корректор высокочастотных предыскажений 4, устраняющий АМ поднесущей, вызванную высокочастотной предкоррекцией в кодирующем устройстве. Таким образом, на выходе устройства 4 существует последовательность частотно-модулированных, чередующихся от строки к строке цветоразностных сигналов D'_R и D'_B.

Необходимым условием E¹_G-Y получения в приемном устройстве цветоразностного сигнала является одновременное наличие двух других цветоразностных сигналов, для чего в телевизор вводится ультразвуковая ЛЗ 5 на 64 мкс. Функцию разделения цветовых сигналов D¹_R и D¹_B выполняет электронный коммутатор 6, переключающий с частотой строк каналы прямого и задержанного сигналов на входы каналов демодуляции сигналов D'_R и D'_B. Здесь сигналы D'_R и D¹_B поступают на амплитудные ограничители 7, 11, которые устраняют паразитную АМ, возникающую в ЛЗ и коммутаторе. Частотные детекторы 8, 12 преобразуют частотно-модулированные сигналы D¹_R, D¹_B в низкочастотные цветоразностные сигналы. Демодулированные цветоразностные сигналы поступают на входы корректоров низкочастотных предыскажений 9, 13, которые компенсируют изменения частотной характеристики, вводимые в кодирующем передающем устройстве. После этого сигналы Е¹_R-Y и Е¹_B-Y усиливаются и подаются на цветной кинескоп. Одновременно с помощью матрицы 14 формируется третий цветоразностный сигнал Е'_G-Y.

Важным узлом декодирующего устройства телевизора являются цепи цветовой синхронизации. Необходимо обеспечить, чтобы сигналы D'_R и D'_B поступали на свой частотный детектор. Для этого требуется установить правильную начальную фазу работы электронного коммутатора. Эту функцию выполняют цепи цветовой синхронизации, состоящие из управляющего генератора прямоугольных импульсов 10 и блока опознавания 15, управляемого сигналом Uоп.

Исходя из того, что ТВ вещание по системе SECAM-III в России будет продолжаться еще долгиегоды, отечественными научно-исследовательскими организациями проводятся работы по улучшению качества воспроизводимого ТВ изображения. Например, предложена широкоформатная ТВ система SECAM plus, совместимая с существующей системой SECAM-III.

Новая система обеспечивает :

• совместимость с существующим парком цветных телевизоров;

• повышение качества изображения;

• формат изображения, равный 16:9;

• стереозвуковое сопровождение.

Краткие сведения о системах цветного телевидения NTSC, PAL. В совместимой системе NTSC одновременная передача цветоразностных сигналов производится на одной поднесущей с использованием квадратурной модуляции. Генератор цветовой поднесущей вырабатывает высокостабильные колебания частоты f₀, которая является нечетной гармоникой половины частоты строчной развертки. При таком выборе цветовой поднесущей в интервале длительности одной строки будет укладываться дробное число периодов несущей, т.е. целое число периодов и половина периода. А так как при чересстрочной развертке в одном кадре содержится нечетное число строк, то фазы поднесущих в одинаковых строках двух последовательных кадров будут противоположны. Это приводит к усреднению визуально наблюдаемой яркости, создаваемой на черно-белом изображении цветовой поднесущей, что ослабляет ее заметность. Практически частота цветовой поднесущей и в ТВ системе с числом строк разложения Z=625 строк выбирается равной 4,43 МГц, а в случае стандарта Z=525, f₀ = 3,58 МГц.

Для осуществления квадратурной модуляции цветовой поднесущей в кодирующем устройстве имеется два балансных модулятора. На один из них поступает сигнал от генератора поднесущей U₀cosw₀t и цветоразностный сигнал , а на другой - сдвинутый по фазе на 90 сигнал поднесущей Usinwt и цветоразностный сигнал . Выходные напряжения балансных модуляторов пропорциональны произведениям входных напряжений при подавлении поднесущей. Этим устраняется мешающее действие цветовой поднесущей на воспроизводимом изображении. В блоке сложения оба цветоразностных сигнала, передаваемые на поднесущей, линейно складываются, образуя результирующий сигнал цветности U_ЦВ, модуль и фаза которого соответственно равны:

U_ЦВ = , = arctg ().

Из данных соотношений видно, что результирующий сигнал цветности изменяется по амплитуде и фазе. Причем амплитуда сигнала характеризует насыщенность цвета, фаза - цветовой фон.

Учитывая неодинаковую разрешающую способность зрения при восприятии мелких деталей, окрашенных в различные цвета, в системе NTSC вместо сигналов E¹_R-Y и E¹_B-Y с помощью матрицирования формируются следующие сигналы Е¹_I = 0,74Е¹_R-Y - 0,27Е¹_B-Y, E¹_Q= 0.48E¹_R-Y + 0.41E¹_B-Y.

Передача сигналов E¹_I и Е'_Q осуществляется в разных полосах частот. Например, сигнал Е¹_Q передается в полосе ± 0,5 МГц (отсчет частоты ведется от значения поднесущей), а сигнал Е¹_I - в полосе от -1 ,4 до +0,5 МГц, т.е. с частичным подавлением верхней боковой полосы (рисунок 8.11).

Рисунок 8.11. Спектр ТВ сигнала системы NTSC

На передающей стороне результирующий сигнал цветности Uцв смешивается с яркостным сигналом Е'_Y и затем подается на ТВ радиопередатчик. Для правильной работы телевизора необходимо восстановление по частоте и фазе цветовой поднесущей. С этой целью в составе полного ТВ сигнала системы NTSC передается сигнал синхровспышки в виде 79 периодов цветовой поднесущей f₀, располагаемый на задних площадках СГИ.

В ТВ приемниках для обратного разделения результирующего сигнала цветности на цветоразностные сигналы применяются синхронные детекторы. На них же подаются колебания от местного генератора цветовой поднесущей со сдвигом фаз на 90° для сигналов Е'_I и Е'_Q. Частота и фаза колебаний генератора поднесущей частоты устанавливается под действием синхровспышки, выделяемой селектором телевизора. Далее из принятых сигналов матрицированием формируются цветоразностные сигналы Е_R-Y', E_G-Y¹, Е_B-Y', которые подаются на модуляторы трехлучевого цветного кинескопа.

Основным недостатком системы NTSC является ее чувствительность к фазовым искажениям сигнала, возникающим в канале связи и проявляющимся в основном в изменении цветового тона.

В совместимой системе цветного ТВ PAL, как и в NTSC, применяется квадратурная модуляция одной поднесущей при передаче цветоразностных сигналов. В данной системе устраняются цветовые искажения изображений за счет компенсации фазовых искажений сигнала. Для этого в системе PAL на передающей стороне используется периодическое изменение фазы поднесущей одного из цветоразностных сигналов (Е_R-Y') от строки к строке на 180°. В ТВ приемнике для сигнала цветности устанавливается ЛЗ на время передачи одной строки. Причем на выходе линии задержки осуществляется периодическое изменение полярности цветоразностного сигнала Е_R-Y'. Одновременное наличие в телевизоре двух сигналов цветности соседних строк позволяет осуществлять их сложение, что приводит к устранению цветовых искажений.

Принцип компенсации фазовых искажений поясняется рисунком 8.12.

Пусть в результате фазовых искажений в тракте передачи произошел сдвиг квадратурно-модулированного сигнала U_ЦВ1¹ относительно исходного положения U_ЦВ1 на угол против часовой стрелки (см. рисунок 8.12 а). Тогда на рисунке 8.12б изображен результирующий сигнал цветности U_ЦВ2 для следующей строки и фактически сдвинутый на угол в том же направлении сигнал U_ЦВ2¹. Сложение сигналов цветности следует производить по правилам сложения векторов. Из рисунка 8.12 в видно, что в результате сложения сигналов U_ЦВ1¹ и U_ЦВ2¹ образуется результирующий сигнал U_ЦВ.Р, величина которого приблизительно равна удвоенной величине исходных слагаемых, а направление совпадает с исходным сигналом U_ЦВ1, т.е. происходит компенсация фазового сдвига. Причем практически удвоенный размах сигнала U_ЦВ.Р за счет ограничения приводится к нормальному значению U_ЦВ1.

а,б) векторные диаграммы двух соседних строк, в) результирующий сигнал цветности после сумматора

Рисунок 8.12. Схема компенсации фазовых искажений в системе PAL

Одним из важных недостатков системы PAL является некоторое усложнение ТВ приемника за счет введения в его схему дополнительных устройств для задержки сигнала цветности на время одной строки и периодического изменения фазы цветоразностного сигнала Е_R-Y'.