Кодирование и декодирование сигналов в системе секам

Данный раздел посвящен изучению основных параметров системы СЕКАМ, ее сигналов и принципов передачи и приема цветовой информации в этой системе. Система СЕКАМ - совместимая система ЦТ, в которой цветовая информация передается на поднесущей частоте, расположенной в спектре яркостного сигнала E_Y. Поднесущая модулируется по частоте двумя чередующимися от строки к строке цветоразностными сигналами E_R-Y и E_B-Y. В приемнике для получения третьего цветоразностного сигнала используется линия задержки на время передачи одной строки (64 мкс) и электронный коммутатор.

Использование частотной модуляции в системе СЕКАМ сделало ее менее чувствительной к искажениям типа «дифференциальное усиление» и «дифференциальная фаза», характерным для системы с квадратурной балансной модуляцией, так как для передачи информации о цветности в системе СЕКАМ используется девиация мгновенного значения частоты колебаний поднесущей, а не их фаза. Однако для обеспечения требования совместимости используется узкополосная частотная модуляция (индекс модуляции m<1), при которой ширина спектра частот модулированных колебаний не превышает 3 МГц. В результате помехоустойчивость частотномодулированного сигнала цветности оказалась ниже, чем в других системах ЦТ, где для передачи сигнала цветности используется квадратурная балансная модуляция. Необходимо отметить, что при узкополосной ЧМ помехозащищенность особенно ухудшается на верхних частотах спектра модулирующего сигнала.

Для увеличения помехоустойчивости и улучшения совместимости в системе СЕКАМ принят ряд мер, основными из которых являются:

передача цветоразностного сигнала E_R-Y в отрицательной полярности;
низкочастотные предыскажения модулирующих цветоразностных сигналов;
высокочастотные предыскажения модулированных по частоте сигналов;
передача цветоразностных сигналов на двух поднесущих.

Введение перечисленных мер значительно усложняет структурную схему кодирующего устройства (рис. 9.1), назначение которого - сформировать на выходе полный ЦТ сигнал E_П = E^'_Y + U_ЧМ, где E^'_Y - сигнал яркости, подвергнутый гамма-коррекции; U_ЧМ – полный сигнал цветности на поднесущей с частотной модуляцией, включающий в себя ЧМ сигнал цветности изображения E_Ц и ЧМ сигнал цветовой синхронизации E_ЦС. Цветоделенные сигналы E^'_R, E^'_G, E^'_B с выхода камерного канала поступают на матричную схему (рис. 9.1), с помощью которой формируются сигнал E^'_Y и цветоразностные сигналы E^'_R-Y и E^'_B-Y в соответствии с уравнениями (9.2) - (9.4).

В сумматоре 2 в сигнал яркости E^'_Y вводятся синхронизирующие импульсы E_СИ. На выходе сумматора включена широкополосная линия задержки (ЛЗ) 3 для согласования во времени сигналов яркости с частотно-модулированным сигналом цветности на выходе сумматора 14. Задержка широкополосного (6 МГц) сигнала яркости на 0,4 мкс компенсирует задержку сигнала цветности, возникающую при формировании его в узкополосном (1,3 МГц на уровне 0,7) канале цветности.

Сигнал яркости поступает в корректор перекрестных искажений 4, уменьшающий влияние спектральных составляющих яркостного сигнала в диапазоне частот поднесущей на сигнал цветности.

Цветоразностные сигналы E^'_R-Y и E^'_B-Y с выхода матрицы поступают в сумматоры 5, в которых к ним добавляются сигналы цветовой синхронизации E_ЦС (сигналы опознавания цвета – СО), представляющие собой девять импульсов специальной формы, передаваемых в период обратного хода по кадру. Сумматоры 5 осуществляют также функцию формирования сигналов D^'_R и D^'_B, связанных с сигналами E^'_R-Y и E^'_B-Y следующими соотношениями: D^'_R = -k_R · E^'_R-Y, D^'_B = k_B · E^'_B-Y,где k_R=1,9; k_B=1,5 – коэффициенты выравнивания, значения которых (1,9 и 1,5) выбраны так, чтобы при передаче цветов с одинаковой насыщенностью максимальные абсолютные значения сигналов D^'_R и D^'_B были одинаковыми, что позволяет наиболее полно использовать динамическую характеристику модулятора. Знак минус перед коэффициентом k_R означает изменение полярности сигнала E^'_R-Y на противоположную.

Изменением полярности сигнала E^'_R-Y добиваются того, что для большинства сюжетов при передаче обоих цветоразностных сигналов D^'_R и D^'_B преобладает отрицательная девиация частоты. Таким образом, при передаче реальных сюжетов частоты модулированных поднесущих будут в основном ниже частот покоя, что позволяет уменьшить заметность искажений цветного изображения, возникающих при ограничении верхней боковой полосы частот сигнала цветности.

Далее сигналы D^'_R и D^'_B проходят цепи низкочастотных предыскажений 6. Низкочастотные предыскажения заключаются в намеренном подъеме верхних частот в спектре цветоразностных модулирующих сигналов (до трех раз). Частотная характеристика цепи предыскажений представлена на рис. 9.2. Низкочастотные предыскажения в кодирующем устройстве позволяют включить на выходе частотного детектора приемника фильтр с характеристикой, обратной рис. 9.2, имеющей спад в области верхних частот, и тем самым ослабить наиболее «сильные» компоненты шума на выходе частотного детектора.

Процесс формирования полного телевизионного сигнала кодирующим устройством СЕКАМ удобно рассмотреть на примере прохождения по тракту испытательного сигнала цветных полос, форма которого показана на рис. 9.3, а. В результате низкочастотных предыскажений на фронтах сигналов D^'_R и D^'_B возникают выбросы напряжения, доходящие до 300% (рис. 9.3, б). Таким образом, низкочастотные предыскажения приводят к увеличению девиации поднесущей верхними частотами сигналов цветности. Номинальная девиация частоты поднесущей, соответствующая уровню сигналов D^'_R и D^'_B, равных 1, 0, составляет D f _B =230 кГц в строке с сигналом D^'_R и D^'_B =280 кГц в строке с сигналом. Предельно допустимая величина девиации ограничивается:

+ 500 ± 25 кГц... ± 18 кГц для сигналов D^'_B,

± 25 кГц...+ 350 ± 18 кГц для сигналов D^'_R.

Для ограничения максимальных значений девиаций в схеме рис. 9.1 предусмотрено устройство 8, ограничивающее вершины выбросов на уровнях, показанных на рис. 9.3, б. Ограничение амплитудных выбросов приводит к «размытости» цветных вертикальных переходов.

Электронный коммутатор 7, включенный перед ограничителем 8, преобразует одновременно существующие на входе коммутатора сигналы D^'_R и D^'_B в их чередующуюся от строки к строке последовательность на его выходе.

С выхода амплитудного ограничителя 8 сигналы поступают на вход частотного модулятора (ЧМГ) 9. В системе СЕКАМ для повышения помехоустойчивости каждый цветоразностный сигнал D^'_R и D^'_B модулирует по частоте свою поднесущую. Выбранные поднесущие частоты являются гармониками строчной частоты

f _0R = 282 f _C= 4,40625 МГц, f _0B= 272 f _C= 4,25000 МГц

и отличаются на 10 строчных периодов. В связи с этим на ЧМГ подают управляющее напряжение u ₁ в виде симметричных импульсов (меандров) полустрочной частоты, изменяющих частоту покоя ЧМГ от строки к строке на 10 f _C= 10 · 15625 = 156,25 кГц.

Далее через амплитудный ограничитель 10 модулированная поднесущая (рис. 9.3, в) подается на коммутатор, который в целях улучшения совместимости меняет на 180° фазу поднесущих частот в начале третьей строки и каждого поля. Затем следует цепь высокочастотных предыскажений (ВЧПИ) 12, характеристика которой показана на рис. 9.4.

Включение цепи с такой характеристикой обеспечивает предыскажение спектра, которое позволяет использовать на входе блока цветности приемника цепь с обратной характеристикой, т.е. в форме колоколообразной кривой (клеш). Это, во-первых, повышает помехоустойчивость сигнала цветности, так как увеличивает уровень спектральных компонент сигнала, удаленных от поднесущей и в большей степени подверженных влиянию помех, во-вторых, улучшает совместимость системы, так как ослабляет заметность поднесущей на экранах черно-белых телевизоров. Рис. 9.3, г иллюстрирует изменение формы модулированного сигнала после прохождения им цепи ВЧПИ. Из рисунка видно, что пакеты поднесущих, имеющие для разных цветных полос разную частоту, приобрели дополнительную амплитудную модуляцию. Амплитудные выбросы на границах цветных полос (цветовых переходах) возникли в результате прохождения немодулированным сигналом цепи низкочастотных предыскажений.

Целесообразность выбора разных значений поднесущих частот f _0R и f _0R для передачи сигналов D^'_R и D^'_B объясняется следующим образом. Подавление шумов, которое производит фильтр ВЧ коррекции в приемнике, зависит от частоты сигнала цветности. Можно показать, что оно максимально в области центра колоколообразной кривой и уменьшается по мере сдвига частоты в стороны. Если для передачи сигналов D^'_R и D^'_B использовать одну поднесущую частоту, значение которой соответствует центру колоколообразной кривой, подавление шумов окажется максимальным для частоты немодулированной поднесущей, т. е. для белых и серых деталей изображения.

Экспериментально доказано, что флуктуационные помехи оказывают наибольшее мешающее действие при передаче красных, пурпурных, голубых и зеленых деталей изображения. Исходя из этого для передачи сигналов D^'_R и D^'_B используются две поднесущие f _0R и f _0R, смещенные относительно центра характеристики ВЧПИ таким образом, чтобы девиированные частоты, которыми передаются красный, пурпурный, голубой и зеленый цвета, располагались в районе, близком к центру характеристики ВЧПИ, чем обеспечиваются оптимальные условия приема для этих цветов. Заключительной операцией формирования ЧМ сигнала цветности является подавление его во время ССИ в каскаде 13. Это гашение, необходимое для нормальной синхронизации развертки приемника, заканчивается через 5,7 мкс после переднего фронта синхроимпульса, так что до конца обратного хода остается участок немодулированной поднесущей (рис. 9.5), который дает возможность закончиться переходным процессам в канале цветности приемника до начала активной части строки.

В суммирующем устройстве 14 складываются сигналы цветности U_ЧМ с яркостным сигналом E^'_Y.Осциллограмма сигнала на выходе сумматора 14 представлена на рис. 9.3, д.

Декодирующее устройство выполняет следующие функции:

выделяет из полного сигнала полосу частот, в которой заключены составляющие сигнала цветности;
детектирует сигналы цветности;
корректирует высоко- и низкочастотные предыскажения сигнала, введенные в кодирующем устройстве;
по сигналу опознавания формирует команды на прием черно-белого или цветного телевидения и осуществляет цветовую синхронизацию.

Структурная схема декодирующего устройства представлена на рис. 9.6. Полный телевизионный сигнал E_П поступает на корректор высокочастотных предыскажений КВП, представляющий собой колебательный контур, настроенный на частоту 4,286 МГц. Форма частотной характеристики контура (рис.9.4) подобрана так, чтобы полностью скомпенсировать высокочастотные предыскажения поднесущей, введенные в кодирующем устройстве. С выхода КВП частотно-модулированный сигнал U_ЧМ поступает на амплитудный ограничитель 2, который устраняет паразитную амплитудную модуляцию, вызванную неравномерностью АЧХ канала передачи. Усилитель 3 компенсирует ослабление сигнала, вносимое ограничителем 2.

На выходе усилителя 3 существует последовательность чередующихся от строки к строке частотно-модулированных сигналов D^'_R, D^'_B. Для получения сигнала E^'_G-R в соответствии (8.6) необходимо одновременное наличие сигналов D^'_R и D^'_B. Для выполнения этого условия в декодирующее устройство вводится элемент памяти - ультразвуковая линия задержки 4 на время, равное длительности одной строки (64 мкс). Если сигналы на входе линии задержки имеют последовательность D^'_R, D^'_B, D^'_R, D^'_B, D^'_R,..., то сигналы на ее выходе чередуются в последовательности D^'_B, D^'_R, D^'_B, D^'_R,.... Из сравнения обеих последовательностей видно, что на входе и выходе линии задержки в каждый момент времени присутствуют одновременно оба сигнала D^'_R и D^'_B, чередующиеся от строки к строке. Для разделения этих сигналов по своим каналам демодуляции используется электронный коммутатор 6, переключающий с частотой строк выходы каналов прямого и задержанного сигналов на входы каналов демодуляции цветоразностных сигналов D^'_R и D^'_B. Канал задержанного сигнала кроме ультразвуковой линии задержки 4, содержит усилитель 5, компенсирующий ослабление сигналов, вносимое этой линией. Аттенюатор на R₁ позволяет уравнять размахи задержанного и прямого сигналов. После коммутатора сигналы поступают на амплитудные ограничители 9, которые устраняют паразитную амплитудную модуляцию, возникающую в линии задержки и коммутаторе, а также позволяют регулировать размахи цветоразностных сигналов на выходе частотных детекторов 10 и тем самым менять насыщенность цветного изображения.

Частотные детекторы 10 в каналах D^'_R и D^'_B отличаются частотами настройки резонансных цепей и полярностью включения диодов, так как сигнал E^'_R-Y передается по каналу связи в отрицательной полярности. Демодулированные сигналы D^'_R и D^'_B подаются на входы корректоров низкочастотных предыскажений 11 и далее поступают на выходные видеоусилители 12. Сигнал E^'_R-Y формирует матрица 13.

Электронный коммутатор 6, распределяющий сигналы D^'_R и D^'_B по своим каналам демодуляции, управляется сигналами, вырабатываемыми триггером 8. Поскольку начальная фаза работы триггера произвольна, коммутатор может работать так, что поднесущие сигналов D^'_R будут попадать в канал демодуляции D^'_R и D^'_B, а сигналов D^'_B - в канал D^'_R, что приведет к неправильному цветовоспроизведению. Следовательно, необходимо обеспечить правильную фазировку работы коммутатора. Эту функцию выполняют цепи цветовой синхронизации, управляемые сигналом опознавания (СО), представляющим собой серию из девяти импульсов отрицательной полярности трапецеидальной формы. Длительность каждого импульса соответствует длительности активной части строки. СО передаются во время действия кадрового гасящего импульса, а именно: с 7-й по 15-ю строку первого поля и с 320-й по 328-ю строку второго поля (рис. 9.7, а). Сигналы опознавания цвета вводятся в кодирующем устройстве в оба цветоразностных сигнала до преобразования их в сигналы D^'_R и D^'_B. После преобразования вместе с сигналом E^'_R-Y меняют полярность и его СО, поэтому изображенные на рис. 9.7, а трапецеидальные импульсы в сигнале D^'_R имеют положительную полярность, а в случае D^'_B сохраняют отрицательную. Амплитуда СО равна соответствующим уровням ограничения выбросов (рис. 9.7, б): –1,52 для E_B и +1,25 для D^'_R, так что СО занимает полный раствор девиации частоты. В строках D^'_R частота изменяется от 4,406 до 4,756 МГц, в строках D^'_B от 4,25 до 3,9 МГц (рис. 9.7, б). Таким образом, сигналы опознавания при передаче в строках D^'_R и D^'_B отличаются по частоте. Это отличие используется для формирования в цепях синхронизации импульса, управляющего фазой электродного коммутатора.

Распространенным способом выделения сигнала опознавания (СО) является использование резонансных цепей, настроенных в прямом и задержанном каналах на частоты синих и красных строк (3,9 и 4,76 МГц). Отфильтрованные соответствующие пакеты поднесущей указанных частот из 9 строк сигнала опознавания благодаря задержке в ультразвуковой линии одновременно приходят на два входа схемы совпадения и в совокупности с кадровым импульсом на третьем входе формируют на выходе схемы совпадения импульс для принудительного фазирования триггера коммутатора. Этот же импульс является признаком приема сигнала цветного телевидения и служит для выработки команды отпирания обоих цветных каналов путем подачи питающего напряжения на усилителиограничители 9 сигналов D^'_R и D^'_B, а также включения режекторного фильтра подавления поднесущей в яркостном канале.