Структурная схема совместимой системы цветного телевидения

В настоящее время разработано много вариантов совместимых систем ЦТ. Практическое применение нашли только три системы ЦТ: американская НКТС, западногерманская ПАЛ, и французская СЕКАМ.

Основным отличием в построении названных систем является тип модуляции поднесущей частоты сигналами цветности: в системе НКТС и ПАЛ поднесущая модулируется по амплитуде (квадратурная модуляция), а в системе СЕКАМ по частоте (частотная модуляция). Во всех трех системах яркостный сигнал уплотняется ЦРС методом частотного перемежения спектров. Структурная схема передающей части совместимой системы ЦТ показана на рис. 11.9.

Сигналы , и , соответствующие трем цветоделенным изображениям, с выходов передающих трубок 2 цветной камеры поступают через усилители 3 на кодирующую матрицу 4, в которой формируются яркостный сигнал и два ЦРС и . Деление изображения на три осуществляется в оптической части камеры цветоделительными зеркалами и фильтрами 1, расположенными перед фотокатодами передающих трубок.

С выхода кодирующей матрицы ЦРС, ограниченные по частоте фильтрами нижних частот 5 до 1,5 МГц, поступают на модулятор 6, в котором происходит перекос сигналов цветности с помощью поднесущей в высокочастотную область. В сумматоре 7 происходит смешение яркостного сигнала и результирующего цветового сигнала . На выходе сумматора образуется полный цветовой ТВ сигнал , который в дальнейшем подается на модулятор передатчика. Полный цветовой ТВ сигнал может быть принят как цветными, так черно-белыми телевизорами. При приеме полного ТВ цветового сигнала черно-белым телевизором сигналы цветности не используются в образовании изображения, а являются только помехой.

Упрощенная структурная схема приемной части совместимой системы ЦТ приведена на рис. 11.10.

Принятый антенной полный цветовой телевизионный сигнал усиливается в высокочастотном тракте и поступает на видеодетектор (на схеме не показано). Продектированный сигнал подается на входы полосового фильтра и видеоусилителя яркостного сигнала, в составе которого имеется режекторный фильтр 3. Режекторный фильтр подавляет наиболее мощные составляющие модулированной поднесущей частоты , которые являются помехой в яркостном сигнале. Полосовой фильтр 1 выделяет из полного цветового телевизионного сигнала только сигналы цветности. Блок разделения 2 осуществляет разделение сигнала цветности, на два ЦРС и , которые подаются далее на детекторы 4 для переноса их в область низких частот. С выхода декодирующей матрицы 5 сигналы , и подаются на трехлучевой цветной кинескоп,

Рис. 11.9. Структурная схема передающей части совместимой системы ЦТ

Рис. 11.10. Структурная схема приемной части совместимой системы ЦТ.

на экране которого воспроизводится цвет передаваемого объекта путем сложения трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Устройство и принцип работы цветного кинескопа с дельтавидным расположением прожекторов и мозаичным экраном поясняются рис. 11.10.

Кинескоп имеет трехлучевой прожектор и экран, покрытый большим числом (около 500 тысяч) люминофорных групп (триад). Каждая группа (триада) представляет собой один элемент изображения и состоит из трех зерен люминофоров, дающих различное свечение (красное, зеленое и синее) и расположенных в строго определенном порядке (рис. 11.11).

Луч каждого из прожекторов модулируется одной из цветных составляющих сигнала изображения: красной, зеленой или синей. Перед экраном находится металлическая цветоделительная маска с числом отверстий, равным числу люминофорных триад. Маска расположена так, что электронные лучи каждого прожектора, пройдя сквозь отверстия в мас­ке, попадают на соответствующие им люминофорные зерна. Например, прожектор, луч которого модулируется красной составляющей сигнала освещает только люминофорные зерна с красным свечением. При развертке лучей общей отклоняющей системой (ОС) расположение их относительно цветных точек на экране сохраняется. Поскольку размер цветных точек чрезвычайно мал, на экране кинескопа происходит пространственное сложение цветов. Для регулировки сходимости электронных лучей в плоскости маски на горловине кинескопа устанавливаются электромагниты сведения лучей (ЭСЛ).

Рис. 11.11. Кинескоп с цветным мозаичным экраном и теневой маской.

11.6. Совместимая система цветного телевидения NTSC [7]

В совместимой системе NTSC для обоих цветоразностных сигналов используется только одна поднесущая. Для разделения на месте приема цветоразностных сигналов, передаваемых на одной поднесущей, в передающем устройстве системы NTSC используется квадратурная модуляция, сущность которой заключается в следующем. Оба сигнала цветности – Е_R-Y и Е_B-Y – модулируют одну и ту же поднесущую (рис. 11.12 а), получаемую от задающего кварцевого генератора f _П. Фазы этой поднесущей, подаваемой на модуляторы R–Y и B – Y, сдвинуты на 90°.

Модуляторы R–Y и B – Y имеют балансную схему. Это значит, что их выходные напряжения пропорциональны произведениям входных напряжений, а поднесущая отсутствует (подавлена). Этим устраняется мешающее действие цветовой поднесущей на изображение. В блоке, сложения оба цветоразностных сигнала, теперь уже помещенные на поднесущую, линейно складываются, образуя полный сигнал цветности:

U _цв = U_R-Y + U_B-Y = kE_(R-Y)cos ω_П t + kE_(B-Y)sin ω_П t,

где k – коэффициент пропорциональности.

Наглядное представление о полном сигнале цветности дает векторная диаграмма (рис. 11.12 б). В зависимости от окраски передаваемого в данный момент участка изображения цветоразностные сигналы меняются по амплитуде, но остаются сдвинутыми по фазе на 90°. Соответственно их суммарный вектор U _цв меняется как по величине U _цв, так и то фазе φ. Для лучшего представления о векторной цветовой плоскости определим значения цветоразностных сигналов для некоторых характерных цветов:

а)

б)

Рис. 11.12. Квадратурная модуляция: а) структурная схема;

б) образование вектора сигнала цветности; в) длина и

фаза вектора сигнала насыщенного красного цвета

красного, желтого, зеленого, сине-зеленого и пурпурного. Например, для красного:

E_R = 1B, E_B = 0; E_G = 0; E_{Y kp} = 0,11 E_B + 0,59 E_G + 0,30 E_R = 0,30 E_R = 0,3B,

E_B-Y = E_B – E_Y = 0 – 0,3 = -0,3B, E_R-Y = E_R – E_Y = 1 – 0,3 = 0,7B.

Соответствующая красному цвету векторная диаграмма изображена на рис. 11.12 в. В табл. 11.3 приведены основные сигналы – Е_R, Е_B, Е_G, а также сигнал яркости и соответствующие цветоразностные сигналы для указанных выше цветов, рассчитанные так же, как и в приведенном примере. Там же указаны фазовые сдвиги φ вектора U _цв относительно вектора E_B-Y направление которого условно принято за нулевое.

Таблица 11.3

Цвета	ER	EB	EG	EY	ER-Y	EB-Y	φ, ·
				0,3	0,7	-0,3
Желтый				0,89	0,11	-0,89
Зеленый				0,59	-0,59	-0,59
Сине-зеленый				0,7	-0,7	-0,3
Синий				0,11	-0,11	0,89
Пурпурный				0,41	0,59	0,59

На рис.11.13 показаны положения и относительные размеры вектора полного сигнала цветности U _цв для всех случаев таблицы. Для белого цвета оба цветоразностных сигнала равны нулю, т. е. точка белого на векторной диаграмме находится в начале координат 0.

Длина вектора U _цв определяет цветовую насыщенность, а положение вектора (фазовый сдвиг φ) – цветовой тон. Другими словами, полный сигнал цветности имеет одновременно амплитудную (насыщенность) и фазовую (цветовой тон) модуляции.

В цветных телевизионных приемниках системы NTSC имеется устройство для обратного разделения полного сигнала цветности на два цветоразностных сигнала. Работа этого устройства, называемого синхронным детектором, иллюстрируется структурной схемой на рис. 11.14. Синхронные детекторы R – Y и R – Y по принципу действия являются такими же балансными модуляторами, как и в передающем устройстве (рис. 11.12 а). Их выходное напряжение должно быть пропорционально произведению двух входных напряжений.

На первые входы синхронных детекторов одновременно дается полный сигнал цветности, на вторые входы – синусоидальное напряжение от местного генератора. Относительный сдвиг фазы этого напряжения на входах детекторов также составляет 90°. Напряжение на выходе синхронного детектора R-Y является произведением двух входных напряжений и имеет следующий вид:

U _{вых( R - Y )} = U _цв U' _пcosω_п t = kU' _п(E_{R - Y})cosω_п t cosω_п t + kU' _п(E_{B - Y})sinω_п t cosω_п t.

На основании элементарных формул тригонометрии

cosα·cosα = ½ (1 +·cos2α), sinα·cosα = ½ sin2α,

обозначая k' = kU' _п/2, получаем:

U _{вых( R - Y )} = k'E_{R - Y} + k'E_{R - Y} cos2ω_п t + k'E_{B - Y} sin2ω_п t.

Первый член правой части полученного выражения является цветоразностным сигналом. Два другие – высокочастотные (их поднесущая имеет частоту 2ω_п – легко подавляются фильтром нижних частот.

Соответственно на выходе детектора B-Y цветоразностных сигналов получаем:

U _{вых( B - Y )} = k'(E_{B - Y}) - k'(E_{B - Y})cos2ω_п t + k'(E_{R - Y})sin2ω_п t.

Рис. 11.14. Структурная схема синхронного детектирования

На рис. 11.15 а представлена с некоторым упрощением структурная схема передающего устройства совместимой системы с цветоразностными. сигналами цветности и квадратурной модуляцией. Три сигнала, поступающие от передающих трубок и соответствующие трем основным цветам, после усиления поступают на кодирующую матрицу, в которой алгебраическим сложением в нужной пропорции создаются: сигнал яркости – Е_Y и два цветоразностных сигнала цветности – Е_B-Y и Е_R-Y. Сложение основных сигналов – Е_R, Е_G и Е_B – в этих матрицах должно осуществляться согласно уравнениям (11.7) и (11.9).

Далее спектры цветоразностных сигналов ограничиваются фильтрами, с полосой пропускания 0–1,5 МГц. Заметим, что более полная схема содержит узлы независимой коррекции формы амплитудных характеристик всех трех каналов (гамма-коррекция), линии задержки, обеспечивающие точное временное совпадение сигналов Е_Y, Е_R-Y. и Е_B-Y в блоке сложения.

В блоках квадратурной модуляции цветоразностные сигналы помещаются на синусоидальную и косинусоидальную составляющие поднесущей (рис. 11.12 а). В блок сложения поступают все сигналы, образующие полный сигнал цветного телевидения: сигнал яркости , сигналы цветности «в квадратуре» на одной поднесущей Е_R-Y. и Е_B-Y, сигналы (импульсы) гашения луча, синхронизации разверток и сигнал цветовой синхронизации.

Для того чтобы поднесущая частота f _п была нечетной полугармоникой строчной частоты, необходима соответствующая связь через блок деления частоты между генератором поднесущей и синхрогенератором, что и показано на структурной схеме.

а)

б)

Рис. 11.15. Система NTSC: а) структурная схема передающей части; б) строчной гасящий импульс и синхроимпульс со вспышкой цветовой синхронизации

Чтобы избежать искажений цветовых тонов принимаемого изображения, фаза колебаний поднесущей во всех синхронных детекторах цветных телевизоров должна быть точно (до 5°) равна фазе поднесущей на передающем устройстве. Для этого в полный, телевизионный сигнал во время обратного хода по строкам замешивается «вспышка» колебаний поднесущей (8 – 10 периодов). Форма такого сигнала цветовой синхронизации показана на рис. 11.15 б. Частота и фаза вспышки точно равны частоте и фазе поднесущей в передающем устройстве.

Рассмотрим теперь структурную схему приемного устройства показанную на рис. 11.16. После усиления на высокой частоте, промежуточной частоте и детектирования (эти узлы не показаны на рис. 11.16, так как они аналогичны узлам черно-белого приемника) сложный видеосигнал цветного телевидения усиливается и одновременно поступает в три блока:

Рис. 11.16. Структурная схема приемной части системы

1. На вход резонансного усилителя, настроенного на частоту поднесущей f _п, выделяющего вспышки цветовой синхронизации. В фазовом детекторе происходит сравнение по фазе «вспышки» и напряжения местного генератора. Соответствующее напряжение ошибки с фазового детектора поступает на схему с реактивной лампой, которая и подстраивает местный гетеродин до нужной фазы.

2. На вход фильтра, имеющего полосу пропускания (2 – 4,2) МГц. После фильтра сигнал подается на выходы синхронных детекторов. Назначение фильтра – подавить напряжение составляющих на всех частотах, лежащих вне спектра цветоразностных сигналов. Этим уменьшается мешающее действие на работу канала цветности значительной части сигнала яркости Е_Y.

3. На три параллельно соединенных катода цветного кинескопа подаётся сигнал яркости Е_Y.

В свою очередь, три цветоразностных сигнала подаются на соответствующие управляющие электроды. В данном случае кинескоп работает как матрица, т. е. между его катодами и управляющими электродами образуются сигналы трех основных цветов:

Е ₁ = Е_R-Y + Е_Y = Е_R, Е₂ = Е_G-Y + Е_Y = Е_G, Е₃ = Е_B-Y + Е_Y = Е_B

Таким образом, применение цветоразностных сигналов не усложняет цветной телевизионный приемник. Напротив, при отсутствии цветовых сигналов (приемник принимает черно-белую программу) сигнал Е_Y, действующий одновременно на всех трех катодах цветного кинескопа, образует черно-белое изображение. Никаких переключений при переходе на прием черно-белой программы производить не нужно.

В канале цветности имеются блоки синхронного детектирования, работа которых объяснялась ранее. После ограничивающих фильтров с полосой 0 – 1,5 МГц цветоразностные сигналы Е_R-Y и Е_B-Y подаются на входы декодирующей матрицы. Алгебраическое сложение этих двух сигналов в нужной пропорции создает на выходе матрицы третий цветоразностный сигнал.

Формула, определяющая этот сигнал через два других, имеет вид

Е_G-Y = – 0,51 Е_R-Y – 0,19 Е_B-Y (11.10)

11.6.1. Сигналы I и Q

Для некоторого сокращения полосы частот сигналов цветности в системе NTSC вместо рассмотренных выше цветоразностных сигналов и используются несколько иные по структуре, тоже цветоразностные сигналы, обозначаемые буквами I и Q:

. (11.11)

Экспериментально установлено, что при уменьшении размеров цветных деталей не только уменьшается их насыщенность, но также несколько изменяется субъективно видимый цветовой тон. Так, мелкие красные и желтые детали кажутся оранжевыми, синие и зеленые при уменьшении размера – сине-зелеными. Для использования этого свойства глаза в системе NTSC и выбраны новые цветоразностные сигналы. Вектор I на векторной диаграмме проходит через оранжевую и сине-зеленую области (пунктир на рис. 11.13), и сигнал I способен, таким образом, один (без квадратурного вектора Q) передать эти цветовые тона мелких деталей. Вместе с перпендикулярным ему вектором цветности Q обеспечивает возможность передачи всех цветов на крупных деталях. Для иллюстрации сказанного обратимся к графику спектра системы NTSC на рис.11.17.Из этого рисунка видно, что цвет крупных деталей передается двумя боковыми полосами частот обоих сигналов цветности 0 – 0,5 МГц относительно поднесущей f = 3,58 МГц. Однако на более мелких деталях (до границы частот 1,4 МГц) остается только нижняя боковая полоса частот сигнала I; верхняя боковая полоса частот от 0,5 МГц и выше подавлена. Как сказано ранее, один сигнал I способен передавать только оранжевые и дополнительные к ним сине-зеленые цвета. Таким образом, крупные детали до 0,5 МГц передаются во всех трех цветах, более мелкие до 1,4 МГц – только в двух, а еще более мелкие – бесцветными.

Как видно из векторной диаграммы (рис.11.13),цветоразностные сигналы I и Q должны иметь фазу, повернутую относительно R – Y и B – Y на 33 градуса. Это достигается введением дополнительного фазовращателя в блоке квадратурной модуляции.

Кодирующее (на передаче) и декодирующее (на приеме) устройства при использовании сигналов I и Q также заметно усложняются, что сказывается на стоимости и эксплуатационной надежности цветного телевизора. Надо отметить, что качество изображения при использовании сигналов I и Q вместо R – Y и B – Y улучшается незначительно.

Рис. 11.17. Спектр ТВ сигнала совместимой системы NTSC