Структура телевизионного сигнала и его характеристики

Слово «телевидение» придумал и ввел в научный обиход русский инженер Константин Дмитриевич Перский. Сделал он это на конференции в Париже, в 1900 году, опередив начало коммерческого вещания почти на сорок лет. Термин быстро прижился и теперь, спустя столетие, используется в большинстве языков народов Земли.

Эксперименты по передаче движущегося изображения шли с начала XX века, но регулярное вещание в Европе началось 2 ноября 1936 года в Великобритании, а в США почти на 3 года позже – 30 апреля 1939 года. В этот день открылась всемирная ярмарка в Нью-Йорке под названием «Мир завтрашнего дня». Ярмарку открыл президент США Ф. Д. Рузвельт, именно его выступление и стало первой телевизионной программой, переданной по американскому телевидению.

Вообще, основной вклад в создание телевидения внесли США. Интересно, что сами американцы считают создателями телевидения в своей стране выходцев из России: Владимира Кузьмича Зворыкина, создавшего первые передающие и приемные телевизионные трубки, иконоскоп и кинескоп, Дэвида Сарнова, финансировавшего работы Зворыкина, и Уильяма Пейли, создавшего телевизионную сеть CBS.

В те годы телевизоров у населения было очень мало (в Нью-Йорке – всего 200!), были они очень несовершенными и даже не имели канала звука. Для того, чтобы смотреть телепередачу со звуком, владельцам телевизоров приходилось настраивать на определенную частоту свои радиоприемники, конечно, это было неудобно. И вот, в 1941 году Федеральная комиссия по связи США (ФКС) приняла первый телевизионный стандарт, действующий, между прочим, до сих пор. Было определено, что телевизионное изображение будет состоять из 525 строк и 60 полей в секунду, а звук будет передаваться на УКВ с частотной модуляцией. Получив единый стандарт, радиотехнические компании быстро наладили производство приемной и передающей телевизионной аппаратуры.

Решение ФКС тогда вызвало много споров, потому что стандарты были установлены только для монохромного телевидения, хотя некоторые фирмы предлагали сразу установить стандарт и для цветного ТВ. Впоследствии это решение привело к тому, что при создании стандартов цветного телевидения возникло множество проблем.

В нашей стране регулярное монохромное телевизионное вещание открылось 10 марта 1939 года. Вещание, ясное дело, начали показом хроники о XVIII съезде ВКП(б), потом передачи шли еженедельно, по 5 вечеров в неделю. Во время Великой Отечественной войны передачи прекратили, а 7 мая 1945 года, в День радио, они возобновились. С 16 июня 1949 года после реконструкции Шаболовского телецентра передачи шли уже на современном стандарте 625 строк, который используется в России и Европе до настоящего времени.

Сигнал монохромного телевидения, в отличие, скажем, от радиосигнала, гораздо сложнее. Он содержит сигналы изображения, синхронизации и звукового сопровождения. Когда перед учеными и инженерами встал вопрос о создании системы цветного телевидения, прежде всего пришлось решать вопрос совместимости, ведь в пользовании у населения уже находилось огромное количество черно-белых телевизоров. Стандарт цветного телевидения следовало сделать таким, чтобы владельцы черно-белых телевизоров могли смотреть цветные передачи в черно-белом варианте, а владельцы цветных телевизоров могли бы смотреть старые, черно-белые передачи. Из-за обеспечения этого требования стандарты цветного аналогового изображения получились избыточными.

Всего в мире существует три телевизионных стандарта аналогового телевидения: NTSC, PAL и SECAM.

Первой страной, начавшей цветное телевизионное вещание, стали США. 19 декабря 1953 года канал NBC показал оперу «Амаль и ночные гости». Успеха передача не имела.…

По-настоящему коммерческим цветное вещание в США стало в середине 60-х годов.

Все три телевизионных стандарта процентов на 80 совпадают друг с другом, отличаясь только принципами кодирования цвета, именно поэтому большинство современных телевизоров имеет универсальные, автоматические декодеры цвета.

Все системы цветного телевидения основаны на получении цветного изображения из трех первичных цветов: красного (R), зеленого (G) и синего (B). Приоритет на изобретение цветного ТВ принадлежит опять-таки нашему соотечественнику. Ованес Абгарович Адамян получил патент на изобретение «двухцветного ТВ» еще в 1907 году, однако в России его работы тогда интереса не вызвали. Гораздо позже идеи Адамяна о последовательной, поочередной передаче цвета были использованы в советско-французской системе SECAM.

Как уже говорилось, первой коммерческой системой цветного телевидения была созданная в США система NTSC (National Television System Committee). Во всех трех системах цветного ТВ используется сигнал яркости EY и два цветоразностных сигнала ER-Y и EB-Y, которые добавляются в спектр яркостного сигнала и передаются на поднесущей частоте (или на поднесущих частотах).

В системе NTSC для передачи цветоразностных сигналов используется квадратурная модуляция. Принцип квадратурной модуляции состоит в том, что цветоразностные сигналы ER-Y и EB-Y модулируют по амплитуде две составляющие одной и той же поднесущей, сдвинутые по фазе на 90 градусов, причем поднесущая подавляется балансными модуляторами, а остаются только боковые полосы. Такое техническое решение позволяет существенно уменьшить цветовые помехи на экранах телевизионных приемников. Выходные сигналы геометрически складываются, образуя полный сигнал цветности, при этом амплитуда сигнала определяет насыщенность цвета, а фаза – цветовой тон изображения. Однако система NTSC не позволяет компенсировать фазовые погрешности, возникающие при передаче цветовых сигналов и приводящие к искажению цвета в изображении, поэтому NTSC считается самой несовершенной системой передачи телесигнала. В настоящее время разные варианты стандарта NTSC используются в США, Канаде, Японии, на Кубе, в Южной Корее и в некоторых других странах.

Система PAL (Phase Alternation Line) была разработана и внедрена в начале 60-х годов фирмой «Телефункен» (ФРГ). Эта система гораздо совершеннее, чем NTSC, и в меньшей степени подвержена фазовым искажениям.

Как и в системе NTSC, в системе PAL для кодирования цвета используется квадратур­ная модуляция поднесущей, но, в отличие от нее, фаза составляющей поднесущей, которая модулируется сигналом ER-Y, меняется от строки к строке на 180 градусов.

Система PAL обладает следующими достоинствами:

· Отсутствует помеха от поднесущей частоты на неокрашенных участках изображения, так как поднесущая не передается;

· Фазовые искажения отсутствуют и поэтому не вызывают нарушений цветового тона изображения;

· Малая чувствительность к «асимметрии» полосы пропускания канала цветности;

· При разделении сигналов цветности выделяется удвоенная амплитуда составляющих цветоразностных сигналов, что повышает отношение сигнал/шум;

· Уменьшаются «перекрестные» искажения, возникающие между сигналами яркости и цветности, что определяется оптимальным выбором частота поднесущей.

Недостатком системы PAL является понижение четкости изображения из-за усреднения сигнала цветности в двух последующих строках.

Телевизионный стандарт PAL используют страны Европы, Израиль, Турция, Китай, Бразилия и другие.

Система SECAM (Systeme sequentiel couleurs a memoire, франц., «Последовательная передача цветов с запоминанием») была предложена французским инженером Анри де Франсом в 1958 году, а затем ее совершенствовали и «доводили до ума» советские и французские инженеры. Выбор у Советского Союза тогда был не особенно богатым: система NTSC считалась устаревшей и технически несовершенной, а за лицензирование системы PAL пришлось бы платить огромные деньги. Отношения с Францией в те годы развивались успешно, и было принято политическое решение. К тому же французы при демонстрации своего стандарта показали высочайшее качество цветной картинки, буквально покорившее специалистов. Впоследствии, правда, оказалось, что при передаче цветного сигнала SECAM на большие расстояния, характерные для Советского Союза, все обстоит не так красиво, и стандарт пришлось модернизировать, внося в него некоторые элементы из PAL.

ОсобенностьSECAM – поочередная, через строку, передача сигналов цветности ЕR и ЕB, пропорциональных цветоразностным сигналам ER-Y и EB-Y, с восстановлением в приемнике недостающего сигнала линией задержки.

При постоянной яркости поля искажения в SECAM не проявляются. На цветовых переходах искажения могут проявляться в виде цветных окантовок или тянущихся продолжений полей. После яркого участка появляется синяя окантовка, после темного – желтая.

Системы SECAM и PAL обеспечивают в два раза меньшую, чем у NTSC, вертикальную четкость цветного изображения. Использование несколько видоизмененных цветоразностных сигналов значительно улучшает совместимость и помехоустойчивость системы.

Систему SECAM приняли около 40 стран: Восточная Европа (кроме Югославии), Греция, многие арабские и африканские страны.

Начиная с 1985 года, все европейские телевизоры выпускаются с универсальным декодером PAL/SECAM. Оба стандарта используют разложение телевизионной картинки на 625 строк, и особых технических проблем не возникает. Гораздо хуже обстоит дело с NTSC. Американцы используют 525 строк разложения при кадровой частоте 60 Гц, поэтому европейские и американские модели телевизоров практически несовместимы.

Стандарты PAL и SECAM также имеют различные варианты, отличающиеся, в основном, шириной полосы видеосигнала, разностью между частотами несущих звука и изображения, а также шириной полосы радиоканала. Варианты того или иного телевизионного стандарта принято обозначать заглавной латинской буквой, добавляемой к названию системы ТВ, например, стандарт SECAM B/G используется в странах Среднего Востока: Греции, Египте, Ираке, Иране и пр., поэтому SECAM B/G часто называют MESECAM (Middle East SECAM). Параметры некоторых, наиболее распространенных вариантов стандарта SECAM приведены в таблице 1.

Более 45% стран мира использует систему PAL, около 30% – SECAM, а остальные – NTSC. Если же считать количество телевизоров, рассчитанных на определенный стандарт, то окажется, что более 50% телевизоров во всем мире рассчитаны на стандарт NTSC, на втором месте телевизоры с системой PAL, а SECAM – на третьем месте.

В последние десятилетия стали проявляться недостатки, органичные для стандартов аналогового телевидения NTSC, PAL и SECAM. Это связано, прежде всего, с тем, что промышленность освоила производство телевизоров с весьма большой диагональю экрана и с повышенной яркостью изображения. На большом экране стала отчетливо заметна структура растра, межстрочные и межкадровые мелькания, ухудшенная передача быстродвижущихся объектов. Из-за того, что в первые годы существования цветного ТВ приходилось обеспечивать его совместимость с черно-белыми телевизорами, цветоразностные сигналы сокращались по полосе примерно в 4 раза, а сигнал цветности передавался в спектре частот сигнала яркости. В результате разделение сигнала яркости и цветности в ТВ-приемниках осуществлялось с большим трудом, возникали искажения цвета, и снижалась четкость изображения из-за наличия режекторных фильтров в канале яркости.

Одной из попыток решения этих проблем стало создание т.н. HDTV (High Definition Television) – телевидения высокой четкости, ТВВЧ. Этот стандарт использует телевизионные приемники с отношением сторон экрана 16:9 и частотой полей 60 Гц. Система HDTV является весьма многообещающей, однако на этап коммерческой эксплуатации она пока не вышла.

Радикальное повышение качества телевизионного сигнала и расширение набора предлагаемых потребителю услуг станет возможным только с переходом на цифровые методы обработки телевизионного сигнала.

Современные телевизионные системы наземного* вещания используют сложный полный телевизионный сигнал (ПТВС**), включающий ряд информационных и служебных составляющих. Информационные составляющие (их называют просто сигналами) обеспечивают воспроизведение в приемнике элементов изображения и звукового сопровождения, а служебные - расположение этих элементов на экране, аналогичное их расположению в передаваемой сцене, а также декодирование информационных составляющих. Стандартная форма ПТВС приведена на рис. 1.1 [1] (цифры указывают номера строк; ССИ - строчный синхроимпульс; СГИ - строчный гасящий импульс; КСИ - кадровый (полевой) синхроимпульс; КГИ - кадровый гасящий импульс; Н - длительность строки).

Временные и частотные параметры ПТВС зафиксированы в стандартах телевизионного вещания. Наземное цветное телевизионное вещание формировалось на основе существовавших сетей монохромного (ранее говорили -черно-белого) телевидения.

Рис. 1.1

Рис. 1.2

Поэтому его стандарты обеспечивают совместимость с монохромным телевидением, т. е., во-первых, возможность приема изображения цветной телевизионной системы монохромным приемником и, во-вторых, возможность приема цветным телевизионным приемником изображения, полученного в комплексе монохромного вещания.

Естественно, в обоих случаях речь идет о монохромном отображении.

Удовлетворение принципу совместимости привело к тому, что основные параметры ПТВС при переходе от монохромного к цветному вещанию не изменились. В ПТВС присутствует сигнал яркости 7, передаваемый так же, как при монохромном вещании* - в течение всей передачи за исключением обратных ходов развертки, занимая практически всю полосу частот телевизионного сигнала (кроме области, отведенной для передачи сигнала звукового сопровождения на отдельной поднесущей).

Цветовая информация передается сигналом(ами) цветности методом частотного уплотнения в полосе частот сигнала яркости. В результате спектр ПТВС имеет вид, схематически изображенный на рис. 1.2 (здесь Y - сигнал яркости; С - сигнал цветности; fцв - поднесущая сигнала цветности; fзв - поднесущая сигнала звукового сопровождения; fдц - полоса частот сигнала цветности; fдз - полоса частот сигнала звукового сопровождения).

Передача телевизионного сигнала при наземном вещании ведется амплитудной модуляцией несущей композитным ПТВС (рис. 1.2). Для сокращения полосы частот нижняя боковая полоса частично подавляется. Сохранение ее части, прилегающей к несущей, гарантирует качественную передачу последней, необходимую для детектирования сигнала в телевизионном приемнике и поддержания настройки на выбранный канал. Спектр телевизионного сигнала в эфире изображен (качественно) на рис. 1.3 (здесь fи - несущая частота изображения; fп - ширина частично подавленной нижней полосы сигнала; fн - смещение нижней граничной частоты телевизионного канала относительно несущей частоты изображения; fв - смещение нижней граничной частоты телевизионного канала относительно несущей частоты изображения; fк - полоса частот телевизионного канала).

Рис. 1.3

Занятие 17

9.2. Видеокамеры(начало).

Что такое камкордер? Пятнадцать лет назад такого слова просто не существовало. Оно возникло путем слияния двух слов, очень верно отражая сущность предмета, взяв первую половину от слова сamera, и вторую - от recorder. Таким образом, камкордер - это камера, сочлененная с видеомагнитофоном. В России этому понятию эквивалентно слово видеокамера, которое мы используем, обозначая камеру бытового назначения, что, однако, уже не соответствует действительности, поскольку уже давно существуют профессиональные моноблочные видеокамеры.

Ранее высокое качество формируемой телевизионной картинки обеспечивалось только студийной телевизионной камерой, сигнал которой передавался напрямую в эфир или записывался на отдельно расположенный видеомагнитофон, который, из-за своих значительных габаритов, находился на некотором удалении от нее. Репортажный комплекс также представлял собой комбинацию из двух отдельных аппаратов: телевизионной камеры и видеомагнитофона.

Конец семидесятых - начало восьмидесятых годов были отмечены широким внедрением микроэлектроники буквально во все электронные устройства, что сопровождалось значительным уменьшением их габаритов, веса, энергопотребления и повышением качественных показателей. Не обошел этот процесс и телевидение.

Именно микроэлектроника позволила объединить в одной конструкции телевизионную камеру и видеомагнитофон. Причем, аппарат, в котором камера конструктивно неотделима от ВМ, получил название моноблока. Это устройство нашло широкое применение в тележурналистике.

В отличие от телевизионной вещательной камеры (обзор по ТВ-камерам дан в "625" № 10 за 1997г.) видеокамера отличалась меньшим весом, габаритами, энергопотреблением, большей надежностью и стабильностью параметров при работе на открытом воздухе, то есть, всепогодностью. Однако, качество формируемого сигнала и соответствующей ему картинки были несколько хуже. В настоящее время этот недостаток успешно преодолен и параметры вещательной цифровой видеокамеры полностью соответствуют стандарту.

Структура видеокамеры

Рис. 1. Структурная схема видеокамеры

На рис. 1 представлена укрупненная схема видеокамеры, которая состоит из объектива, камерной головки, видеомагнитофона и устройства управления. Остановимся на характеристиках основных узлов аппарата.

Оптическая часть

Рис. 2. Камерная головка

К объективу цифровой видеокамеры предъявляются требования повышенной разрешающей способности из-за малого размера элемента разложения прибора с зарядовой связью (ПЗС). Кроме того, объектив должен быть легким, надежным и формировать изображение с наименьшими искажениями. Наилучшими считаются объективы фирм Canon и Fujinon. Объективы имеют регулируемые диафрагму, трансфокатор и фокусировку. Они снабжаются дополнительными сменными светофильтрами. Основной блок видеокамеры - камерная головка (рис. 2), которая состоит из узла преобразования "свет-сигнал" и цифрового процессора обработки сигнала изображения (рис. 3). Узел преобразования "свет-сигнал" и объектив составляют оптическую часть видеокамеры и представлены на рис. 4. Сразу за объективом расположен фильтр нижних пространственных частот и светоделительная призма с цветными фильтрами, которая разделяет световой поток на три спектральные составляющие - красную (R), зеленую (G) и синюю (B) - по числу преобразователей изображения на ПЗС. Так как преобразователи на ПЗС имеют максимальную чувствительность в ИК-области спектра, а необходимо иметь кривую спектральной чувствительности камеры, близкую к кривой чувствительности глаза, то в оптическую часть камеры входит фильтр ИК-отсечки.

Рис. 3. Цифровой процессор сигнала

Рис. 4. Оптическая часть видеокамеры

Рис. 5. ПЗС со строчно-кадровым переносом, FIT CCD Устройство и работа преобразователя изображения на ПЗС

Преобразователь изображения на ПЗС - это прибор, осуществляющий пространственную дискретизацию изображения. Для исключения интермодуляционных искажений или элайзинга (наложения спектров при дискретизации), в соответствии с теоремой Котельникова, спектр передаваемых пространственных частот перед дискретизацией должен быть ограничен на частоте, равной половине частоты дискретизации,. Этой цели служит фильтр нижних пространственных частот (ФНПЧ), установленный перед светоделительной призмой. В видеокамерах, применяемых в ТВ-вещании, обычно используют самые высококачественные и дорогостоящие ПЗС со строчным (IT CCD) или строчно-кадровым переносом (FIT CCD). На рис. 5 представлен ПЗС со строчно-кадровым переносом. IT CCD отличается от него только отсутствием секции хранения. Из рисунка видно, что часть светочувствительной поверхности секции накопления покрыта непрозрачными для света вертикальными регистрами переноса, что существенно снижает световую чувствительность таких ПЗС по сравнению с ПЗС с переносом кадра. Преодолеть этот недостаток позволило применение микролинз, которые располагаются перед каждым фотодиодом и поэтому практически весь свет собирается на них, минуя закрытые от света участки секции накопления. Следует отметить существование в преобразователях двух режимов накопления: режим накопления поля (это стандартный режим работы), и режим накопления кадра. Рассмотрим работу преобразователя в этих режимах на примере работы строчно-кадрового ПЗС (IT CCD), фрагмент которого представлен на рис. 6. В этих приборах регистр вертикального переноса, который закрыт от света, является четырехфазным (фазы фV1...фV4), а горизонтальный выходной регистр - двухфазным (фазы фH1, фH2). В режиме накопления поля (рис. 6) все фотодиоды преобразователя опрашиваются одновременно - один раз в течение поля. Поэтому время накопления информации в таком режиме составляет одно ТВ-поле. Причем, два соседних по вертикали фотодиода объединяются в одну ТВ-строку. Чересстрочность обеспечивается следующим образом: в нечетном поле первой телевизионной строке принадлежат первый и второй фотодиоды, второй - третий и четвертый фотодиоды, третьей - пятый и шестой фотодиоды, и так далее. В четном же поле фотодиоды объединяются в пары со сдвигом на один фотодиод: первая строка - первый фотодиод, вторая строка - второй и третий фотодиод, третья - четвертый и пятый фотодиод и так далее. Такой режим обеспечивает минимальную временную инерционность, но разрешающая способность по вертикали при этом понижена, так как высота элемента накопления равна высоте двух фотодиодов. Повысить разрешающую способность позволяет режим накопления кадра, когда в нечетном поле опрашиваются нечетные фотодиоды (1, 2, 3 и так далее), а в четном - четные (2, 4, 6 и т. д). Тем самым, размер элемента разложения по вертикали уменьшается вдвое, но также вдвое увеличивается временная инерционность ПЗС, так как фотодиоды накапливают информацию в течение двух телевизионных полей. Некоторые фирмы-производители для повышения разрешающей способности по вертикали применяют этот режим в выпускаемых ими видеокамерах, но применять его следует весьма осторожно, учитывая повышенную временную инерционность.

Рис. 6. Режим накопления поля