Глава 5
ФОРМИРОВАНИЕ СИГНАЛА ИЗОБРАЖЕНИЯ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Требования к системе цветного телевидения
Основными требованиями к системе цветного телевидения, предназначенной для телевизионного вещания, являются ее совместимость с системой черно-белого телевидения и высокое качество цветовоспроизведения. Сущность совместимости заключается в том, что черно-белые телевизионные приемники, наряду с передачами черно-белого телевидения, должны принимать и воспроизводить в черно-белом виде передачи цветного телевидения, а цветные телевизионные приемники кроме цветных передач должны принимать передачи черно-белого телевидения и воспроизводить их в черно-белом виде, причем никаких изменений в устройстве и эксплуатации тех и других приемников не должно быть.
Это значит, что параметры развертки и ширина частотного спектра сигналов изображения черно-белого и цветного телевидения должны быть одинаковыми. Кроме того, сигнал цветного телевидения наряду с информацией о цвете объектов должен содержать полную информацию об их яркости, т. е. иметь в своем составе сигнал черно-белого телевидения, называемый сигналом яркости.
Указанным требованиям удовлетворяют действующие в настоящее время три разновидности вещательных систем цветного телевидения: американская НТСК (NTSC — National Television Sistem Committee — Национальный комитет телевизионных систем), западногерманская ПАЛ (PAL — Phase Alternation Line — строки с переменной фазой) и советско-французская СЕКАМ (SECAM — Sequentiel couleur a memoire—последовательная цветная с памятью).
Ниже рассматривается формирование сигнала изображения по системе CEKAM-III, применяемой с 1967г. для цветного телевизионного вещания в нашей стране.
Сигнал яркости
В § 3.6 было показано, что в трехтрубочной передающей камере цветного телевидения формируются три первичных сигнала изображения, ЕR, EG, EB, соответствующих красным, зеленым и синим составляющим цвета передаваемого объекта.
Первичные сигналы изображения широкополосные, однако, ни один из них не может быть использован в качестве сигнала черно-белого телевидения, так как не содержит полной информации о яркости объекта. Поэтому в системе цветного телевидения из трех первичных сигналов формируется четвертый — сигнал яркости Еу, для чего первичные сигналы сначала балансируются, а затем матрицируются.
Балансировка состоит в уравнивании по размаху сигналов ЕR, EG и EB, соответствующих передаче белого (серого) поля.
Матрицирование — это сложение сигналов в определенной пропорции. Матрицирование сбалансированных сигналов ЕR, EG и EB, при формировании сигнала ЕY производится с учетом спектральной чувствительности зрения (см. § 1.3 и 1.6): EY = 0,30 ЕR +0,59 EG + 0,11 EB, где ЕR = EG = EB. Этот сигнал передается непрерывно на каждой строке развертки в полной полосе частот 6 МГц и позволяет воспроизводить нормальное черно-белое изображение на экранах черно-белых и цветных телевизоров.
Цветоразностные сигналы
Наличие сигнала яркости освобождает от необходимости передавать все три первичных сигнала изображения. Достаточно передавать любые два из них, а третий восстанавливать в приемнике путем вычитания переданных первичных сигналов из сигнала яркости. Эта операция также называется матрицированием, поскольку вычитание равнозначно сложению инвертированных, т. е. взятых в противоположной полярности сигналов.
Во всех системах цветного телевидения принято передавать «красный» ЕR и «синий» EB первичные сигналы, полосу частот которых благодаря пониженной разрешающей способности зрения к синим и красным цветам удается сократить до 1...1,5 МГц. «Зеленый» первичный сигнал восстанавливается в приемнике:
EG = (ЕY - 0,З0ЕR -0,11EB) / 0,59.
Поскольку сигнал ЕY содержит полную информацию о яркости передаваемого объекта, из сигналов ЕR и EB эта информация исключается и они передаются в виде цветоразностных сигналов:
ЕR-Y = ЕR - EY = 0,70 ЕR - 0,59 EG - 0,11 EB;
EB-Y = EB - ЕY = - 0,30ЕR - 0,59 EG + 0,89 EB.
Существенное достоинство цветоразностных сигналов состоит в том, что при передаче неокрашенных (белых и серых) участков изображения (когда ЕR = EG = EB) эти сигналы имеют нулевые значения (ЕR-Y = EB-Y = 0); при передаче слабоокрашенных (малонасыщенных) участков изображения (а их большинство) цветоразностные сигналы малы.
Таким образом, сигнал изображения цветного телевидения формируется из широкополосного сигнала яркости ЕY и двух узкополосных цветоразностных сигналов ЕR-Y и EB-Y.
5.4. Матрицирование
Матричная схема, предназначенная для получения этих сигналов, показана на рис. 5.1. Символом И обозначены инверторы, изменяющие полярность первичных сигналов на противоположную. Для выделения на нагрузках с сопротивлениями r4, r8 и r12 сигналов ЕY, ЕR-Y и EB-Y соответственно необходимо номиналы резисторов подобрать следующим образом:
ч
Рис. 5.7. Принцип матрицирования
В приемнике с помощью аналогичных матричных схем сначала из сигналов ЕR-Y и EB-Y формируется цветоразностный сигнал EG-Y = - 0,51 ЕR-Y - 0,19 EB-Y, а затем из трех цветоразностных сигналов и сигнала яркости восстанавливаются три первичных сигнала изображения ЕR = ЕR-Y - ЕY; EG = EG-Y - ЕY; EB =EB-Y - ЕY, которые модулируют соответствующие электронные лучи цветного кинескопа.
5.5. Уплотнение спектра сигнала яркости
Сигнал яркости ЕY, как было указано выше, занимает всю полосу частот (6 МГц), отведенную для передачи сигналов изображения. Поэтому для соблюдения принципа совместимости спектр сигнала яркости уплотняется, т.е. информация о цвете передается внутри этого спектра, путем введения в него поднесущих частот, модулированных цветоразностными сигналами.
В системе CEKAM-III применена частотная модуляция поднесущих.
В результате уплотнения спектра между сигналами яркости и цветности неминуемо возникают взаимные помехи, для ослабления которых применяется целый ряд специальных мер. Одна из них была рассмотрена выше — это передача информации о цвете узкополосными цветоразностными сигналами. Другая, состоит в размещении частот поднесущих как можно ближе к верхней граничной частоте спектра сигнала яркости. Поскольку высшие частоты телевизионного сигнала соответствуют мелким деталям изображения, то эта мера сводит помеху от сигналов цветности на черно-белом изображении к малозаметной мелкоструктурной сетке.
5.6. Выбор частот поднесущих и передача цветоразностных сигналов
В системе СЕКАМ частоты поднесущих для передачи сигналов ЕR- Y и EB- Y выбраны соответственно: foR = 4,40625 » 4,406 МГц; foB =4,25 МГц.
Частотно-модулированные поднесущие foR и foB передаются не одновременно, а поочередно, через строку. Это значит, что в пределах каждой строки развертки передается сигнал яркости и только одна из частотно-модулированных поднесущих сигнала цветности — либо foR либо foB (рис. 5.2).
Последовательная передача поднесущих позволяет почти вдвое (по сравнению с их одновременной передачей) сократить участок спектра сигнала яркости, уплотняемый сигналами цветности, что способствует значительному снижению уровня взаимных помех. Поскольку поднесущие частоты foR и foB передаются не одновременно, а поочередно, то усматривается целесообразность выбора для них единого значения частоты. Так, собственно, и было сделано в первоначальном варианте системы СЕКАМ. Однако опыт эксплуатации показал, что оптимальные условия помехозащищенности для «красного» и «синего» сигналов цветности неодинаковы. Поэтому в системе CEKAM-III частоты поднесущих foR и foB разнесены на 156 кГц (точнее, на 156,25 кГц).
Фаза (полярность) поднесущих от поля к полю и в каждой третьей строке развертки принудительно изменяется на 180°. При этом помеха (сетка) на черно-белом изображении становится то позитивной, то негативной и ее заметность резко снижается. Для дальнейшего повышения помехоустойчивости сигналов цветности и улучшения совместимости цветоразностные сигналы до модуляции поднесущих несколько преобразуются, причем полярность одного из них изменяется на противоположную.
Для модуляции поднесущей foR используется цветоразностный сигнал D R = - 1,9 Е R-Y, а для модуляции поднесущей foB - цветоразностный сигнал D B =1,5 EB- Y. Сигналы D R и D B формируются в матричной схеме, наряду с сигналами ЕY, ЕR-Y и EB-Y.
Номинальные значения девиации частот поднесущих, определяемые размахами модулирующих сигналов в строках с сигналами D R и D B, составляют соответственно ±280 и ±230 кГц. При этом эффективная ширина спектра частотно-модулированных сигналов цветности не превышает 3,0 МГц (см. рис. 5.2).
Рис. 5.2. Идеализированные спектры сигналов яркости и цветности системы CEKAM-III
Рис. 5.3. Амплитудно-частотная характеристика фильтра высокочастотных предыскажений
Низкочастотные и высокочастотные предыскажения
Как и в любой системе с частотной модуляцией, модулирующие сигналы (в данном случае D R и D B) до модуляции подвергаются низкочастотным предыскажениям, т. е искусственному подъему уровня их высокочастотных составляющих по сравнению с уровнем низкочастотных. Такие предыскажения сигналов D R и D B, способствуют повышению помехоустойчивости системы, однако в отдельные моменты времени (например, при передаче вертикальных цветовых переходов) приводят к значительному увеличению размахов сигналов изображения и девиации поднесущих.
Во избежание чрезмерного расширения спектра сигнала цветности в системе CEKAM-III установлены предельные значения девиации: 350 и —500 кГц в строке с сигналом D R; 500 и —350 кГц в строке с сигналом D B, превышение которых не допускается.
Еще одной мерой, направленной на повышение помехоустойчивости системы цветного телевидения и снижение заметности помехи от поднесущих на черно-белом изображении, является введение высокочастотных предыскажений, при которых каждый частотно-модулированный сигнал цветности пропускается через фильтр с амплитудно-частотной характеристикой, показанной на рис. 5.3.
В результате высокочастотных предыскажений размах сигнала цветности делается зависимым от девиации частоты: при малой девиации он уменьшается и на частоте 4286 кГц (лежащей между foR и foB) становится наименьшим (около 23% от размаха сигнала яркости); при увеличении девиации размах сигнала увеличивается и может достигать 50—70% от размаха сигнала яркости.