Система кольорового телебачення NTSC

В основу системи покладена передача кольорорізницевих сигналів на піднесучий методом квадратурної модуляції. Даний метод полягає в сумуванні двох амплітудно-модульованих сигналів балансних модуляторів БМ1 і БМ2 (рис.1.13,а), які модулюють сигнали піднесучої частоти з фазами зміщеними на 90°. Це забезпечує взаємну незалежність вихідних сигналів внаслідок їх ортогональності (кожен з векторів проектується на сусідній у вигляді точки).

а) б)

Рис. 1.13 Блок-схема квадратурної модуляції.

Як відомо, при балансній модуляції у випадку ідентичності обох плечей ланцюгів модулятора, сигнал на виході останнього має місце лише при впливі сигналу, що модулює. При відсутності останнього немає і сигналу на виході, тобто коливання несучої частоти придушуються.

Нехай на балансний модулятор БМ1 подається напруга піднесучої U_пcosw_пt і сигнал кольоровості U_r, а на БМ2 — піднесуча U_пsinw_пt і сигнал кольоровості U_b (тут w_п=2pf_п – кутова частота піднесучої f_п). Приймемо амплітуду піднесучої U_п=1. Тоді на виході модуляторів будемо мати напруги піднесучої, модульовані по амплітуді кольорорізницевими сигналами:

U₁ = U_r cos w_пt і U₂ = U_b sin w_пt.

Ці сигнали надходять у змішувач 1 і, складаючись лінійно, дають на виході останнього напругу:

U_s = U_r cosw_пt + U_b sin w_пt. (1.19)

Розділивши обидві частини рівняння (1.19) на одержимо

.

Звертаючись до векторної діаграми (рис. 1.13,б), можна написати

і ,

тоді

sinqcosw_пt + cosqsinw_пt = sin( w_пt + q ),

і отже,

U_s = sin(w_пt + q ), (1.20)

де

q = arctg . (1.21)

З виразу (1.20) видно, що на виході квадратурного модулятора є тільки один сигнал кольорової інформації U_s з частотою піднесучої, модульованої кольорорізницевими сигналами U_r = U_R-Y і U_b= U_B-Y.

Далі сигнал U_s змішується (змішувач 2) з сигналом яскравості U_Y і до модулятора радіопередавача надходить сумарний сигнал (сигнал кольорового зображення):

U_S = U_Y + U_S = U_Y + ïU_sïsin(w_пt + q). (1.22)

Виражаючи Us через його компоненти, відповідно до рівняння (1.19) отримаємо:

U_S = U_Y + U_R-Ycosw_пt + U_B-Ysinw_пt. (1.23)

Таким чином, амплітуда сигналу кольорової інформації ïU_sï буде дорівнювати середньоквадратичному значенню кольорорізницевих сигналів U_R-Y і U_В-Y, що при наявності сигналу яскравості U_Y буде відображати насиченість кольору переданого елемента. А що стосується колірного тону даного елементу, то він буде визначатися фазовим зрушенням q щодо вихідної фази піднесучої, причому кут q залежить не від абсолютних значень кольорорізницевих сигналів, а від їхнього відношення (1.21).

Для неспотвореної передачі кольорів на деталях середнього розміру спектр частот сигналів U_R-Y та U_B–Y повинен складати 1,5 МГц. Це легко зробити у європейському варіанті системи NTSC, де смуга частот телевізійного каналу має достатню ширину. В американському варіанті системи NTSC замість сигналів U_R-Y та U_B–Y їх лінійні комбінації U_I та U_Q:

U_I = 0,74U_R-Y – 0,27U_B–Y,

U_Q = 0,48U_R-Y + 0,41U_B–Y. (1.24)

Розташування від’ємних кольорів I та Q на діаграмі кольоровості надано на рис. 1.14. Вектори I та Q повернути на 33º відносно координатних висей U_R-Y та U_B–Y.

Рис. 1.14

Розглянемо умови, коли при подачі на балансові модулятори кольорорізницевих сигналів U_R-Y і U_В-Y чи сигналів U_І і U_Q на виході змішувача будемо мати той самий сигнал кольорової інформації U_s. Отже, у випадку квадратурної модуляції піднесучої сигналами U_І і U_Q вираз (1.19) для сигналу кольоровості прийме вигляд:

U_s = U_I cos(w_пt + 33°) + U_Q sin(w_пt + 33°). (1.25)

Перетворимо рівняння (1.25) замінивши косинус і синус суми двох кутів їхніми тригонометричними виразами, ввівши чисельні значення cos33°=0,84 і sin 33°= 0,54:

U_s = U_I (0,84cosw_пt – 0,54sinw_пt) + U_Q (0,84sinw_пt + 0,54cosw_пt).

Замінимо U_І і U_Q виразами формули (1.24):

U_s = 0,88U_R-Ycosw_пt + 0,49U_B-Ysinw_пt,

чи в іншій формі:

U_s = cosw_пt + sinw_пt. (1.26)

Рівняння (1.26) має велике практичне значення. Воно показує, що складові сигналу кольорової інформації при кодуванні I і Q складають і частини того ж сигналу, кодованого кольорорізницевими сигналами U_R-Y та U_B–Y. Коефіцієнти і називають коефіцієнтами компресії. Зобразимо рівняння (1.26) в іншому вигляді (з множником 0,88):

U_s = 0,88(U_R-Ycosw_пt + 0,56U_B-Ysinw_пt).

Таким чином амплітуда і фазовий кут сигналу кольорової інформації будуть мати значення:

ïU_sï = 0,88 ,

q = arctg .

З рівняння (1.26) видно, що амплітуда сигналу кольорової інформації U_s при кодуванні сигналами U_R-Y і U_В-Y значно більша чим у випадку кодування сигналами U_І і U_Q. Отже, при кодуванні сигналами U_І і U_Q канал зв’язку використовується більш ефективно.

Досвід побудови системи кольорового телебачення в США показав, що ступінь скорочення смуги для кольорової інформації залежить від вибору основних кольорів передачі. Це зв’язано з тим фактом, що при зменшенні розмірів деталей суб’єктивне сприйняття їхнього кольору не відповідає реальному кольору. Це підтверджено експериментально. Колір малих деталей здається нам відповідною сумішшю помаранчево-червоного і блакитного. А з подальшим зменшенням кольорових деталей вони стають для нашого ока безбарвними, причому спочатку пропадають кольори сині (деталі стають сірими з еквівалентною яскравістю. Тому доцільно забезпечити, насамперед, передачу деталей із синьо-зеленими і помаранчево-червоними відтінками яки зберігають своє фарбування при менших розмірах. Для цього треба виконати дві умови: по-перше, одну з осей первинних кольорів передачі, наприклад вісь I, розташувати саме в області синьо-зелених і помаранчево-червоних кольорів, по-друге, для передачі останніх мати більш широку смугу частот, ніж для інших кольорів. Таким чином смуга частот у 1,4 МГц зберігається тільки для сигналу U_І, а для сигналу U_Q скорочується до 0,5 МГц.

На рис. 1.15 наведена схема смуги частот, яку займає телевізійний сигнал американського варіанту системи NTSC. Верхня бокова смуга спектру сигналу U_І, частково придушується, що призводить до деяких спотворень кольору на самих мілких деталях зображення.

Рис. 1.15

Смуга частот телевізійного сигналу системи NTSC

З рис. 1.14 випливає, що кожному кольору відповідає свій фазовий кут піднесучої. Зміна останнього незалежно від способу кодування веде до зміни кольору. Ця обставина вимагає лінійності фазової характеристики всього тракту передачі. Експериментально встановлений допуск на зміну фазового кута в ±5°, коли око ще не розрізняє зміни кольору.

На рис. 1.16 наведена структурна схема пристрою кодування телевізійного сигналу в системі NTSC.

Рис. 1.16

Сигнали U_R , U_G , U_B надходять в матрицю кодування М, де перетворюються в сигнали U_Y , U_I , U_Q . Сигнал яскравості проходить через фільтр Ф_Y зі смугою проходження 0 – 4,2 МГц, а сигнали U_I та U_Q – через фільтри Ф_I та Ф_Q зі смугами проходження 0 – 1,4 і 0 – 0,5 МГц відповідно.

З виходу фільтрів сигнали U_I та U_Q надходять на відповідні балансні модулятори, на які надходить також сигнал з генератора частоти піднесучої ГП, причому на БМ_I – безпосередньо, а на БМ_Q – через фазоповертач ФП, який повертає фазу сигналу піднесучої на 90º. З виходу модуляторів сигнали надходять у змішувач (суматор) Зм1, де в результаті складання дають сигнал кольоровості U_S .

На виході суматора Зм2 утворюється повний телевізійний сигнал U_Σ за рахунок складання сигналу яскравості U_Y , сигналу кольоровості U_S та сигналу синхронізації від синхрогенератора СГ. Для того щоб урівняти час проходження сигналів у вузькосмуговому каналі Q і більш широкосмугових каналах I та Y, в останніх сигнали додатково проходять через лінії затримки ЛЗ_I (0,5 мкс) та ЛЗ_Y (0,7 мкс).

Сигнал U_S надає інформацію тільки про модуль результуючого вектора і не має інформації про його фазу, тому в системі NTSC інформація про фазу кольорової піднесучої передається за допомогою додаткових імпульсів (“спалаху”) у розмірі восьмі періодів сигналу кольорової піднесучої, які розташовуються на полиці рядкового гасячого імпульсу.

Структурна схема кольорового телевізора системи NTSC наведена на рис. 1.17. В схемі є вузли загальні для кольорового та монохромного приймачів: радіочастотний блок РБ, відеодетектор ВД, підсилювач відеосигналу ПВС, блок розгортки БР і канал звуку КЗ.

Рис. 1.17

Найбільш специфічним вузлом кольорового телевізора є блок кольоровості БК. З повного телевізійного сигналу U_Σ смуговим підсилювачем СП відокремлюється кольоровий сигнал U_S , який надходить на два синхронні детектори СД_I та СД_Q . На ці ж детектори надходить сигнал від місцевого генератора піднесучої ГП, причому на СД_I – безпосередньо, а на СД_Q – зі зсувом фази на 90º через фазоповертач ФП. В результаті синхронного детектування із сигналу U_S відокремлюються сигнали U_I та U_Q . Сигнал піднесучої, який генерує ГП, повинен бути синхронним та синфазним з сигналом піднесучої передавача. Це досягається підстройкою частоти ГП за “спалахом” піднесучої за допомогою вузькосмугового резонансного підсилювача “спалаху” ПС, призначеного для відокремлення із повного телевізійного сигналу “спалаху” піднесучої, фазового детектору ФД і елемента управління УЕ. Перед подачею на матрицю декодування М сигнали U_I та U_Y проходять через лінії затримки ЛЗ_I та ЛЗ_Y.