Главная > Схемотехника > Цветное телевидение?.. Это почти просто!
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Система NTSC

1. КОДИРОВАНИЕ

Принцип передачи цветов в системе NTSC весьма наглядно виден на графике цветности, который можно сравнить с диаграммой Френеля (рис. 48).

Рис. 48. График цветности, на котором наглядно показаны: оси модуляции системы NTSC; пачка импульсов фазовой синхронизации; точки, характеризующие основные и дополнительные цвета; показано также, как найти для точки Р амплитуду и фазу соответствующей ей синусоиды.

Это означает, что некий вектор, исходящий из начала координат, представляет собой синусоиду, амплитуда которой пропорциональна его модулю (или длине), а фаза равна аргументу, или алгебраическому углу, образованному вектором и горизонтальной осью.

Следовательно, можно приближенно сказать, что в системе NTSC фаза выражает цветовой тон передаваемого цвета и что амплитуда представляет насыщенность этого цвета (см. теоремы III и IV в гл. 4). В частности, поднесущая исчезает при передаче ахроматического (белого, серого или черного) участка изображения.

Используемый для осуществления этой двойной модуляции метод тоже становится понятным при рассмотрении графика цветности.

Синусоидальная волна, частоту которой мы сейчас определим, модулируется по амплитуде с подавлением несущей сигналом (В — Y). Следовательно, на диаграмме Френеля она совпадает с горизонтальной осью графика цветности. Другая синусоидальная волна такой же частоты, но сдвинутая по фазе на по отношению к первой, модулируется по амплитуде с подавлением несущей сигналом (R — Y). На графике цветности ее изображение совпадает с вертикальной осью. Сложение этих двух модулированных волн дает нам искомую поднесущую. Благодаря подавлению несущей черно-белое изображение при условии никогда не содержит поднесущей; этого не могло бы быть, если бы пользовались обычной амплитудной модуляцией. Следовательно, подавление несущей обеспечивает правильную передачу шкалы серого без цветной доминанты и снижает видность поднесущей в черно-белых совместимых изображениях Такой тип модуляции называется квадратурной модуляцией; происхождение этого названия вполне понятно.

Рис. 49. Прием цветной передачи на черно-белый телевизор. а — точки на экране от поднесущей, частота которой равна произведению строчной частоты на целое число; о — расположенные на экране «в шахматном порядке» точки от поднесущей, частота которой равна произведению половины строчной частоты на целое нечетное число.

На самом же деле в кодирующем устройстве системы NTSC используются не непосредственно сигналы (R — Y) и (В — Y), а две линейные комбинации:

На графике цветности эти комбинации изображаются двумя взаимно перпендикулярными осями английского phase — в фазе; Q от английского Quadrature — квадратура, т. е. со сдвигом на эти комбинации вычисляются из предыдущих вращением на и изменением масштаба. На графике цветности ось I проходит от оранжевого цвета до сине-зеленого, т. е. через такие цвета, к которым глаз наиболее чувствителен. Через несколько минут мы увидим, какую пользу извлекает система NTSC из изменения разрешающей способности глаза в зависимости от цветового тона. Но прежде нам предстоит установить частоту поднесущей. Она, очевидно, должна располагаться в верхней части спектра видеосигнала, где энергия составляющих сигнала яркости статистически мала, чтобы свести к минимуму взаимовлияние информации о яркости и цветности, которые должны оставаться независимыми. Следовательно, на изображении, получаемом на экране черно-белого телевизора при приеме цветной передачи, должны появиться пунктирные линии, которые будут тем более заметны, чем выше будет насыщенность передаваемых цветов (потому что повышение насыщенности вызывает увеличение амплитуды поднесущей). Если частота поднесущей произвольна, то линии непрерывно перемещающихся точек создают на экране очень неприятные муаровые полосы (рис. 49).

Следовательно, первое условие заключается в достижении неподвижности мешающёго рисунка, для чего соотношение поднесущей и строчной частот должно выражаться рациональным числом (числом, которое можно представить в виде дроби, у которой и знаменатель, и числитель целые числа). Если соотношение выражено целым числом, то точки будут расположены в виде вертикальных линий, что создает на экране весьма заметную сетку. Наилучшее решение заключается в размещении этих точек на экране под углом 45° друг к другу, т. е. в шахматном порядке, как на типографском растре. В телевидении это достигается за счет связи двух частот: частота поднесущей выбирается равной половине строчной частоты , умноженной на нечетное число:

где n — целое число.

В американском телевизионном стандарте (525 строк и 30 полных кадров в секунду) гц. Если принять 227, то получим частоту поднесущей именно эта частота принята в системе NTSC. Она обладает еще одним преимуществом.

Как известно, частотный спектр одного телевизионного кадра неравномерен: энергия концентрируется вдоль линий, проходящих через , как всегда, обозначает строчную частоту. Следовательно, поднесущая располагается точно между двумя такими линиями , а ее собственные боковые линии вклиниваются между линиями сигнала яркости. Это обеспечивает хорошую независимость обеих информаций во время передачи. Действительно, яркостная составляющая с близкой к поднесущей частотой могла бы демодулироваться декодирующим устройством, как если бы это была составляющая цветности.

Эти искажения, вызываемые прохождением составляющих яркостного сигнала в канал цветности, в литературе называются «перекрестными искажениями цвета», а перемежение спектров яркости и цветности в одном сложном сигнале снижает этот недостаток (рис. 50).

Теперь вернемся к обеим синусоидам, модулированным по амплитуде сигналами и Q с подавлением несущей (рис. 51). Перед сложением для образования одной поднесущей спектры этих обеих модулированных синусоид тщательно фильтруют. На высших частотах вблизи несущей звука (которая в американском стандарте отстоит всего лишь на от главной несущей) необходимо как следует ослабить верхние боковые полосы. Поэтому оставляют лишь одну боковую полосу шириной , взятую по уровню — 6 дб.

Сигнал , который, как мы сказали, должен передавать более мелкие, чем сигнал Q, детали, должен иметь более широкий спектр. И если сигнал Q передается с двумя боковыми полосами шириной , то сигнал I имеет нижнюю боковую полосу шириной (измеряемую также по уровню — 6 дб). Согласно общей теории цепей сигнал Q, передаваемый с более узкор полосой пропускания , следовательно, контуром с меньшим затуханием), получает большую, чем сигнал , задержку. Чтобы согласовать фазы сигналов перед их сложением, достаточно замедлить (с помощью линии задержки) приход сигнала I на разницу времени их прохождения.

Рис. 50. Спектральные линии сигнала яркости «переплетены» со спектральными линиями поднесущей.

Рис. 51. Спектры поднесущих, модули рованных сигналами Q и Т.

При изучении характеристик системы NTSC мы увидим, что такая асимметрия боковых полос обычно вызывает искажение, известное под названием квадратурного дефекта, и характеризуется взаимными помехами между сигналами цветности, что можно сравнивать с перекрестными помехами на звуковых частотах; в этом же конкретном случае асимметрия устраняется в самом приемнике, и мы увидим, как это осуществляется (рис. 52).

Теперь наши синусоиды накладываются одна на другую и формируют поднесущую. К последней следует подмешать сигнал, обозначающий начало фаз. Как мы уже отмечали, модуляция по амплитуде производится с подавлением несущей. Поэтому для демодуляции передаваемых боковых полос необходимо в приемнике восстановить несущую; так как амплитудная модуляция осложняется фазовой модуляцией, приемнику необходимо также дать информацию о начале фаз.

Рис. 52. Упрощенная блок-схема кодирующего устройства системы NTSC.

Для этого было решено во время обратного хода по строкам на уровне черного (между импульсом синхронизации и началом строки) передавать пакет из восьми периодов поднесущей, дающих информацию о фазе — (В — Y). В технической литературе этот сигнал идентификации фазы называется «вспышкой».

Перед тем как модулированная поднесущая накладывается на яркостный сигнал для получения полного телевизионного сигнала, следует опять уравнять время прохождения сигналов. Для этого достаточно создать для сигнала Y искусственную задержку (с помощью линии задержки), равную разнице во времени прохождения сигналов Q и Y. Таким образом на выходе кодирующего устройства получают три в высшей степени синхронные информации.

2. ДЕКОДИРОВАНИЕ

В приемнике полосовой фильтр выделяет поднесущую из сигнала яркости (рис. 53). Пакеты сигналов для опознавания фазы поднесущей выделяются и используются для синхронизации восстановленной несущей, которая необходима для демодуляции.

Для этой цели используют генератор, стабилизированный кварцем, фаза которого с помощью кольцевого модулятора, собранного по схеме фазового дискриминатора, сравнивается с фазой сигналов синхронизации. Соответствующим образом отфильтрованный и усиленный сигнал ошибки используется для управления каскадом с реактивным сопротивлением в цепи обратной связи, чтобы согласовать фазу генератора с фазой сигналов синхронизации.

Таким образом, восстановленная несущая должна присутствовать с двумя различными фазами, отличающимися одна от другой на 90° (например, на первичной и вторичной обмртках трансформатора), а синхронная демодуляция поднесущей этими двумя волнами восстанавливает сигналы и Q. Фильтры нижних частот с полосой пропускания соответственно 1,3 и пропускают от сигналов I и Q лишь нужную часть.

После этого время прохождения обоих сигналов уравнивается с помощью линии задержки в канале .

Рис. 53. Упрощенная блок-схема декодирующего устройства системы NTSC.

Матрица (напомним, что этим термином обозначают совокупность схем, служащих для линейного смешивания нескольких электрических сигналов, иначе говоря, для сложения или вычитания этих сигналов) производит следующие операции, которые позволяют получить все три первоначальные составляющие цветности:

Сигнал У освобождается от поднесущей режекторным фильтром, и линия задержки совмещает его во времени с сигналами и Q. Теперь для получения трех первичных цветовых сигналов достаточно произвести в матрицах, состоящих из резисторов, следующие операции:

3. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ

Система NTSC может служить монументом, олицетворяющим находчивость и изобретательность. В 1953 г., когда были опубликованы первые описания системы, технические специалисты всего мира признали ее выдающимся достижением. К несчастью, в результате спешки, которая, кажется, была вызвана лишь конъюнктурными требованиями рынка, этой системе не дали достаточно времени, чтобы вызреть в лаборатории и пройти фундаментальные испытания до окончательного утверждения в качестве стандарта.

В результате этого оборудование для передачи сигналов по кабелю, передатчики, магнитные записывающие устройства и другая видеоаппаратура, а также и телевизоры имеют в верхней части спектра некоторое количество фазовых и амплитудных искажений, которыми, несомненно, можно без ущерба для качества пренебречь в черно-белом телевидении, но которые роковым образом сказываются на передаче цветов по системе NTSC.

Рассмотрим очень кратко эти искажения.

а) Дифференциальное усиление

Мощный усилитель неизбежно обладает некоторой нелинейностью. По своей природе нелинейность может быть трех различных видов: искажение в результате насыщения, искажение вследствие среза и -образное искажение; следовательно, поданный на вход усилителя пилообразный сигнал правильной формы получится на выходе искаженным.

Такой тип искажений не порождает особых неприятностей в черно-белом телевидении; он вносит некоторую ошибку градации тона, но не больше. Само собой разумеется, что при передаче цветного телевизионного сигнала по системе NTSC это приведет к нежелательному изменению амплитуды поднесущей.

Предположим, например, что синусоида малой, но постоянной амплитуды наложена на названный пилообразный сигнал; на выходе усилителя амплитуда этой поднесущей перестанет быть постоянной, а будет зависеть от мгновенного значения уровня яркостного сигнала (рис. 54).

Рис. 54. Искажения сигнала пилообразной формы. а — вследствие недостаточной линейности мощного усилителя пилообразный сигнал может претерпеть различные искажения: насыщение, срез, S-образное искажение; б — этот же сигнал, - модулированный синусоидальным напряжением, претерпевает такие же искажения. В результате изменяется амплитуда синусоиды.

Это явление, когда коэффициент усиления поднесущей является функцией мгновенного значения яркости, известно под названием дифференциального усиления; как мы помним, амплитуда поднесущей передает информацию о насыщенности цветов, следовательно, неизбежная нелинейность вызывает Искажение насыщенности.

б) Дифференциальная фаза

Входные и выходные реактивные сопротивления активных элементов (ламп или транзисторов), как известно, несколько изменяются в зависимости от места рабочей точки на динамической характеристике. Следовательно, возникает некоторый паразитный сдвиг фазы, определяемый местом нахождения рабочей точки.

Если воздействие этого сдвига фазы на яркостный сигнал ничтожно мало, то на графике цветности он смещает точки, символизирующие цвета, на различные углы в зависимости от соответствующего значения яркостного сигнала, а следовательно, вызывает искажение в воспроизведении цветовых тонов (рис. 55).

Это явление возникает во всех активных элементах, но оно может осложниться другим явлением. В аппаратуре, где для передачи видеосигналов используется частотная модуляция (радиорелейные линии, спутники, магнитофоны для записи изображения), модулированная несущая фильтруется полосовыми схемами, фазочастотйая характеристика которых не может быть линейной (так как имеются приграничные частоты).

Следовательно, после демодуляции появляется непостоянный сдвиг фазы, который зависит от мгновенного значения частоты несущей, т. е. от яркостного сигнала.

Рис. 56. Воздействие дифференциальной фазы на телевизионный сигнал Системы NTSC.

В заключение можно сказать, что в системе NTSC каждому нелинейному искажению соответствует искажение цветового тона (фазы) или насыщенности (амплитуды) или же оба вида искажений. Ойыт показал, что в системе NTSC отклонение фазы порядка уже заметно для глаза.

в) Магнитная запись

При воспроизведении записанной на магнитной ленте телевизионной программы относительная точность воспроизведения фазы Ф, считываемой видеомагнитофоном поднесущей, равна относительной точности выдерживания скорости воспроизведения V:

где обозначают изменения фазы и скорости. Если осуществлять синхронизацию видеомагнитофона в конце каждой строки, допуская, что отклонение скорости остается постоянным, то фаза поднесущей в конце каждой строки (точно перед установкой синхронизации) будет иметь следующее отклонение:

где .

При нормальном относительном уходе скорости , т. е. за время прохождения одной строки график цветностц совершил вращение на целый круг и еще третью часть (!), и, следовательно, цветовой тон непрерывно искажается в направлении слева направо.

Студийные видеомагнитофоны обычно имеют по четыре вращающиеся головки, каждая из которых записывает или воспроизводит два десятка строк. Само собой разумеется, что сложные передаточные функции этих четырех головок, т. е. их фазовые и амплитудные характеристики, не могут быть идентичными. Следовательно, коммутация сигнала с одной головки на другую вызывает резкое изменение фазы и амплитуды и кварц приемника из-за перегрузки не сможет их скомпенсировать. Поэтому на цветном изображении зритель заметит появление горизонтальных полос различных цветовых тонов и насыщенности.

Третье явление возникает при воспроизведении записанного на магнитной ленте телевизионного сигнала системы NTSC.

Известно, что видеомагнитофоны работают с частотной модуляцией и что запись производится с низкой несущей. Синусоидальному сигналу в области видеочастот (например, поднесущей) в ЧМ-спектре соответствует не одна боковая как при амплитудной модуляции, а несколько боковых составляющих полос. Первая нижняя полоса попадает в спектр модулирующего сигнала, а вторая должна находиться в области отрицательных частот; следовательно, она «отражается» и интерферирует с первой и видеонесущей. Интерференция создает неприятные для глаз муаровые полосы, заметность которых возрастает в кубе от амплитуды поднесущей.

Эти недостатки, о которых нельзя было подозревать, ибо видеомагнитофоны появились через несколько лет после утверждения системы NTSC в качестве американского стандарта, побудили американских инженеров разработать высокочастотный стандарт записи и дополнительную аппаратуру, как, например, «Колортек», которую из-за ее сложности мы здесь рассматривать не будем. Только такой усложненный видеомагнитофон позволяет производить запись цветного телевизионного изображения по системе NTSC с высоким качеством.

г) Влияние полосы пропускания. Квадратурные искажения

Принцип передачи в системе NTSC основан на модулировании несущей сигналами цветности со сдвигом фаз на 90°. Поэтому проникновение модуляции на ось Q и, наоборот, равно нулю, и взаимные помехи этих двух информаций не возникают.

На деле неполадки в передаче, как, например, срез полосы пропускания, могут нарушить эту квадратуру (сдвиг фаз на 90°). В самом деле, амплитудную модуляцию можно изобразить на диаграмме Френеля комбинацией двух симметричных равных, но вращающихся в противоположных направлениях векторов.

Рис. 56. Квадратурный дефект, вызываемый срезом полосы.

Эти два вектора изображают боковые линии модуляции, которая, разумеется, предполагается синусоидальной. Если частоту несущей обозначить F, а модулирующую частоту f, то эти боковые полосы будут соответственно и F — f. Само собой разумеется, что случайный срез полосы пропускания в большей или меньшей мере ослабит верхнюю полосу; в этих условиях боковые полосы будут уже не равными, а векторы, изображающие и Q, больше не будут перпендикулярными. Проекции на Q и Q на перестанут быть равными нулю и между этими двумя информациями о цвете возникнут взаимные помехи.

Представим для примера случай перехода по оси Q (от зеленого до фиолетового), когда величина I равна нулю. Полное или частичное подавление верхней боковой полосы Q приводит к тому, что вектор перестает быть перпендикулярным оси I и вращается. Демодулированная составляющая I уже не может быть равной нулю, и изображение вместо того, чтобы прямо перейти от зеленого к фиолетовому, перейдет между этими цветами по эллипсу на графике цветности (рис. 56).

Можно было бы думать, что передача сигнала с несимметричными двумя боковыми полосами систематически вызывает такое квадратурное искажение, но, к счастью, это не так. На самом деле такое искажение может возникнуть только для нижних боковых полос , расположенных более чем на от несущей (потому что до полосы симметричны); тогда сигнал взаимной помехи в информации Q оказывается за пределами полосы пропускания (ограниченной до ). Следовательно, фильтры в декодирующем устройстве должны быть сделаны особенно тщательно.

Как правило, случайный срез полосы приводит к появлению неприятных окрашенных окантовок на переходах.

д) Отраженный сигнал

Хорошо известное в черно-белом телевидении явление, когда на экране видны наложенные друг на друга прямое и отраженное изображения, в цветном телевидении осложняется неприятным хроматическим искажением. В самом деле, предназначенный для восстановления поднесущей в декодирующем устройстве кварцевый генератор синхронизируется по первому сигналу цветной синхронизации, но весь график цветности (для больших цветных участков изображения) повернут на угол , который одновременно зависит от запаздывания и от ослабления отраженного сигнала по сравнению с прямым сигналом. Таким образом, неизбежно возникает и искажение цветопередачи. Впрочем, между прямыми и повторными переходами образуется сочетание старой и новой фаз, из-за чего такое изображение в значительно меньшей степени, чем в черно-белом телевидении, приемлемо для практического использования.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ О СИСТЕМЕ NTSC

Рассмотренный метод не всегда способен обеспечить верную цветопередачу в реальных условиях эксплуатации (которые весьма далеки от идеальных условий воспроизведения цветного изображения в лаборатории), поэтому американские и японские фирмы устанавливают на выпускаемых ими телевизорах две дополнительные ручки для регулировки цветового тона и насыщенности, которыми должен пользоваться телезритель.

Однако средний телезритель как в Соединенных Штатах, так и в любой иной стране с чрезвычайным трудом постигнет тайну регулировки яркости и контрастности в черно-белом телевидении. Я представляю моим слушателям возможность подумать о какофонии цветов, которая может появиться на экране в результате неумелого пользования телезрителями слишком многочисленными ручками регулировки...

Однако это совершенно не мешает миллионам американцев и японцев уже на протяжении ряда лет благодаря системе NTSC пользоваться удовлетворяющим их требованиям цветным телевизионным изображением. Не следует также забывать, что эта система лежит в основе всех созданных позднее систем цветного телевидения.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление