Цветное телевидение?.. Это почти просто! - Евгений Айсберг

Эта система разработана в ФРГ в лаборатории фирмы Telefunken в Ганновере бригадой специалистов под руководством Вальтера Бруха; теперь она также принята во многих странах. Хотя последняя система появилась совсем недавно (в 1963 г.) мы рассмотрим ее сразу же после системы NTSC, к которой она очень близка.

1. КОДИРОВАНИЕ

Принцип передачи цветов в системе NTSC весьма наглядно виден на графике цветности, который можно сравнить с диаграммой Френеля (рис. 48).

Рис. 48. График цветности, на котором наглядно показаны: оси модуляции I и Q системы NTSC; пачка импульсов фазовой синхронизации; точки, характеризующие основные и дополнительные цвета; показано также, как найти для точки Р амплитуду и фазу соответствующей ей синусоиды.

Это означает, что некий вектор, исходящий из начала координат, представляет собой синусоиду, амплитуда которой пропорциональна его модулю (или длине), а фаза равна аргументу, или алгебраическому углу, образованному вектором и горизонтальной осью.

Следовательно, можно приближенно сказать, что в системе NTSC фаза выражает цветовой тон передаваемого цвета и что амплитуда представляет насыщенность этого цвета (см. теоремы III и IV в гл. 4). В частности, поднесущая исчезает при передаче ахроматического (белого, серого или черного) участка изображения.

Используемый для осуществления этой двойной модуляции метод тоже становится понятным при рассмотрении графика цветности.

Синусоидальная волна, частоту которой мы сейчас определим, модулируется по амплитуде с подавлением несущей сигналом (В — Y). Следовательно, на диаграмме Френеля она совпадает с горизонтальной осью графика цветности. Другая синусоидальная волна такой же частоты, но сдвинутая по фазе на +90° по отношению к первой, модулируется по амплитуде с подавлением несущей сигналом (R — Y). На графике цветности ее изображение совпадает с вертикальной осью. Сложение этих двух модулированных волн дает нам искомую поднесущую. Благодаря подавлению несущей черно-белое изображение при условии R — Y = B — Y = 0 никогда не содержит поднесущей; этого не могло бы быть, если бы пользовались обычной амплитудной модуляцией. Следовательно, подавление несущей обеспечивает правильную передачу шкалы серого без цветной доминанты и снижает видность поднесущей в черно-белых совместимых изображениях Такой тип модуляции называется квадратурной модуляцией; происхождение этого названия вполне понятно.

На самом же деле в кодирующем устройстве системы NTSC используются не непосредственно сигналы (R — Y) и (В — Y), а две линейные комбинации:

I = 0.877∙(R — Y)∙cos 33° — 0.493∙(B — Y)∙cos 57°

B = 0.877∙(R — Y)∙cos 57° + 0.493∙(B — Y)∙cos 33°

На графике цветности эти комбинации изображаются двумя взаимно перпендикулярными осями I и Q (I от английского In phase — в фазе; Q от английского Quadrature — квадратура, т. е. со сдвигом на 90°); эти комбинации вычисляются из предыдущих вращением на +33° и изменением масштаба.

На графике цветности ось I проходит от оранжевого цвета до сине-зеленого, т. е. через такие цвета, к которым глаз наиболее чувствителен. Через несколько минут мы увидим, какую пользу извлекает система NTSC из изменения разрешающей способности глаза в зависимости от цветового тона. Но прежде нам предстоит установить частоту поднесущей. Она, очевидно, должна располагаться в верхней части спектра видеосигнала, где энергия составляющих сигнала яркости статистически мала, чтобы свести к минимуму взаимовлияние информации о яркости и цветности, которые должны оставаться независимыми. Следовательно, на изображении, получаемом на экране черно-белого телевизора при приеме цветной передачи, должны появиться пунктирные линии, которые будут тем более заметны, чем выше будет насыщенность передаваемых цветов (потому что повышение насыщенности вызывает увеличение амплитуды поднесущей). Если частота поднесущей произвольна, то линии непрерывно перемещающихся точек создают на экране очень неприятные муаровые полосы (рис. 49).

Рис. 49. Прием цветной передачи на черно-белый телевизор.

а — точки на экране от поднесущей, частота которой равна произведению строчной частоты на целое число;

б — расположенные на экране «в шахматном порядке» точки от поднесущей, частота которой равна произведению половины строчной частоты на целое нечетное число.

Следовательно, первое условие заключается в достижении неподвижности мешающего рисунка, для чего соотношение поднесущей и строчной частот должно выражаться рациональным числом (числом, которое можно представить в виде дроби, у которой и знаменатель, и числитель целые числа).

Если соотношение выражено целым числом, то точки будут расположены в виде вертикальных линий, что создает на экране весьма заметную сетку.

Наилучшее решение заключается в размещении этих точек на экране под углом 45° друг к другу, т. е. в шахматном порядке, как на типографском растре. В телевидении это достигается за счет связи двух частот: частота поднесущей fпод выбирается равной половине строчной частоты fстр, умноженной на нечетное число:

fпод = (2n + 1)∙fстр/2,

где n — целое число.

В американском телевизионном стандарте (525 строк и 30 полных кадров в секунду) fстр = 15 750 гц. Если принять n= 227, то получим частоту поднесущей fпод = 3,58 Мгц; именно эта частота принята в системе NTSC. Она обладает еще одним преимуществом.

Как известно, частотный спектр одного телевизионного кадра неравномерен: энергия концентрируется вдоль линий, проходящих через fстр, 2fстр, 3fстр и т. д.; fстр, как всегда, обозначает строчную частоту. Следовательно, поднесущая располагается точно между двумя такими линиями (227-й и 228-й), а ее собственные боковые линии вклиниваются между линиями сигнала яркости. Это обеспечивает хорошую независимость обеих информации во время передачи. Действительно, яркостная составляющая с близкой к поднесущей частотой могла бы демодулироваться декодирующим устройством, как если бы это была составляющая цветности.

Эти искажения, вызываемые прохождением составляющих яркостного сигнала в канал цветности, в литературе называются «перекрестными искажениями цвета», а перемежение спектров яркости и цветности в одном сложном сигнале снижает этот недостаток (рис. 50).

Рис. 50. Спектральные линии сигнала яркости «переплетены» со спектральными линиями поднесущей.

Теперь вернемся к обеим синусоидам, модулированным по амплитуде сигналами I и Q с подавлением несущей (рис. 51).

Рис. 51. Спектры поднесущих, модулированных сигналами Q и I.

Перед сложением для образования одной поднесущей спектры этих обеих модулированных синусоид тщательно фильтруют. На высших частотах вблизи несущей звука (которая в американском стандарте отстоит всего лишь на 4,5 Мгц от главной несущей) необходимо как следует ослабить верхние боковые полосы. Поэтому оставляют лишь одну боковую полосу шириной 0,6 Мгц, взятую по уровню — 6 дб.

Сигнал I, который, как мы сказали, должен передавать более мелкие, чем сигнал Q, детали, должен иметь более широкий спектр. И если сигнал Q передается с двумя боковыми полосами шириной 0,6 Мгц, то сигнал I имеет нижнюю боковую полосу шириной 1,3 Мгц (измеряемую также по уровню — 6 дб).

Согласно общей теории цепей сигнал Q, передаваемый с более узкой полосой пропускания (и, следовательно, контуром с меньшим затуханием), получает большую, чем сигнал I, задержку. Чтобы согласовать фазы сигналов перед их сложением, достаточно замедлить (с помощью линии задержки) приход сигнала I на разницу времени их прохождения.

При изучении характеристик системы NTSC мы увидим, что такая асимметрия боковых полос обычно вызывает искажение, известное под названием квадратурного дефекта, и характеризуется взаимными помехами между сигналами цветности, что можно сравнивать с перекрестными помехами на звуковых частотах; в этом же конкретном случае асимметрия устраняется в самом приемнике, и мы увидим, как это осуществляется (рис. 52).