Система цветного телевидения NTSC

Система цветного телевидения NTSC была разработана в США в 1950–1953 гг. Национальным Комитетом Телевизионных Систем (National Television System Committee) и утверждена в стране как национальный стандарт. Позднее система NTSC была принята в качестве стандарта в Канаде, в большинстве стран американского континента, в Японии, Корее, Тайване и некоторых других странах.

В качестве сигналов в системе NTSC передаются яркостный и два цветоразностных сигнала. Передача цветоразностных сигналов осуществляется в спектре яркостного на одной цветовой поднесущей частоте f_S (рисунок 5.8).

Рис. 5.8. Спектр сигнала изображения системы NTSC

Напряжение поднесущей частоты, промодулированное цветораз­ностными сигналами, называется сигналом цветности. Сумма сигналов яркости и сигнала цветности U_S образует полный цветовой сигнал U_п. Для того, чтобы модулировать двумя цветоразностными сигналами одну поднесущую частоту, применён метод квадратурной амплитудной модуляции. Сущность его заключается в суммировании двух напряжений поднесущей частоты , промодулированных каждым из цветоразностных сигналов, в отдельных амплитудных модуляторах (рисунок 5.9). Поднесущая частота на модуляторы поступает в квадратуре, т.е. с фазовым сдвигом 90°. Полученный в результате сложения сигнал цветности оказывается промодулированным не только по амплитуде, но и по фазе.

Рис. 5.9. Упрощенная структурная схема кодирующего устройства

Действительно, амплитуда сигнала цветности:

(5.1)

а фазовый сдвиг φ вектора U_S относительно одного из колебаний

, (5.2)

где в свою очередь определяются модулирующими цветоразностными сигналами .

В системе NTSC используются не обычные амплитудные модуляторы, а балансные, которые, подавляя саму поднесущую, оставляют только боковые составляющие спектра. Балансная модуляция имеет определённые преимущества перед обычной амплитудной модуляцией (рисунок 5.10). При одном и том же по сравнению с обычной модуляцией размахе модулирующих сигналов балансная модуляция формирует, как минимум, в два раза меньший по амплитуде сигнал цветности, что снижает её заметность на экране чёрно-белого телевизора, для которого сигнал цветности следует рассматривать как помеху. Таким образом, улучшается совместимость систем чёрно-белого и цветного телевидения. В свою очередь, качество совместимости ещё больше повышается при передаче неокрашенных или слабо окрашенных деталей изображения. В этих случаях цветоразностные (модулирующие) сигналы равны нулю или невелики по амплитуде и на выходе балансных модуляторов сигнал также устремляется к нулю.

а)

б)

Рис. 5.10. а) амплитудная модуляция

б) балансная модуляция

В цветном приёмнике системы NTSC из принятого сигнала цветности U_S должны быть выделены его квадратурные составляющие для получения исходных цветоразностных сигналов . Поскольку то разделение сигналов можно представить как операции проецирования вектора U_S на две ортогональные оси, совпадающие с осями модуляции.

Задачу в таком представлении можно решить с помощьюсинхронного детектора. При синхронном детектировании осуществляется перемножение двух сигналов, подаваемых на вход детектора. Если одним из этих сигналов будет принятый телевизионным приёмником сигнал цветности U_S, а другим – так называемое опорное напряжение U_оп , представляющее колебание поднесущей частоты f_S с начальной фазой φ=0, то напряжение на выходе детектора U_вых будет равно:

, (5.3)

где U_оп–амплитуда указанного выше опорного напряжения.

Используя известное тригонометрическое соотношение

получаем

.

Полагая амплитуду опорного напряжения постоянной и поставив на выходе синхронного детектора фильтр нижних частот, исключающий второй член в правой части равенства, убедимся, что задача выделения одной их квадратурных составляющих решена:

,

где k–коэффициент пропорциональности.

Если же в качестве опорного напряжения на синхронный детектор подать напряжение , то

,

т.е. будет выделена вторая квадратурная составляющая.

Таким образом, устройство для разделения квадратурных составляющих должно состоять из двух синхронных детекторов и генератора опорной поднесущей частоты, синхронизированного по частоте и фазе с передающим генератором. Однако такой информации не содержится в принимаемом ТВ сигнале, так как при балансной модуляции сама поднесущая подавлена, а боковые частоты являются продуктом модуляции, зависящим от передаваемого цвета (а значит, с фазовыми сдвигами, отличающимися от немодулированного значения f_S).

Чтобы генератор опорной поднесущей f_S в приёмнике мог работать с заданной на телецентре фазой, его синхронизируют специальным сигналом, называемым сигналом цветовой синхронизации. Он передаётся в интервале обратного хода строчной развёртки на площадке строчного гасящего импульса (СГИ) за строчным синхронизирующим импульсом (ССИ) и представляет собой пакет колебаний цветовой поднесущей из 8…10 периодов (рисунок 5.11). Этот пакет называется также цветовой вспышкой. Частота колебаний вспышки равна f_S, фаза равна 180° (вектор колебаний пакета совпадает с отрицательным направлением оси B–Y). Пакет передаётся во всех строках развёртки, кроме интервала длительностью 9Н (Н – длительность одной строки), в котором передаются уравнивающие импульсы и кадровые синхроимпульсы (на кадровом гасящем импульсе). Интервалы между вспышками равны H.

Рис. 5.11. Сигнал вспышка

Таким образом, при квадратурной модуляции амплитуда результирующего цветового сигнала характеризует насыщенность цвета, а фаза –цветовой тон. Векторы цветности могут быть наглядно представлены графически на диаграмме цветов в полярной системе координат (рисунок 5.12)

Рис. 5.12. Диаграмма цветов в полярной системе координат

При выборе частоты цветовой поднесущей f_S необходимо выполнять следующие условия.

1. Для снижения заметности на изображении в чёрно-белом телевизоре помехи от сигнала цветности U_S частота цветовой поднесущей f_S должна быть по возможности высокой, так как в этом случае структура рисунка от помехи будет мельче, а, следовательно, и менее заметной. С другой стороны, значение f_S должна быть существенно меньше максимальной частоты f_max в спектре яркостного сигнала , чтобы выполнялось требование профессиональной совместимости систем, т.е. чтобы полный цветовой сигнал размещался в полосе стандартного цветового сигнала. Разность (f_max–f_S) определяет максимальную ширину боковой полосы сигнала цветности, а значит, и максимально возможную ширину спектра цветоразностных сигналов. Как показала практика, эта величина не может быть меньше 0,6 МГц, так как иначе на цветном изображении в приёмнике появятся заметные цветные окантовки на вертикальных границах между различными цветами. Поскольку в американском стандарте f_max=4,18 МГц, то f_S должна быть не менее 3,58 МГц.

2. С той же целью уменьшения заметности рисунка на экране чёрно-белого телевизора, получаемого от воздействия на него поднесущей, её частота f_S жёстко связывается с частотой развёртки изображения. При этом данная связь подчиняется соотношению:

, (5.4)

где n – целое число, – частота строк. Тогда на интервале одной, например первой, строки укладывается целое число периодов цветовой поднесущей и ещё половина периода. Поэтому в следующей нечётной строке фаза сигнала изменится на противоположную, и так далее от строки к строке. В результате яркостной модуляции под действием цветовой поднесущей на экране телевизора возникнет сетка тёмных и светлых штрихов, расположенных в шахматном порядке.

Поскольку в кадре содержится нечётное число строк, при передаче следующего кадра полярность сигнала в соответствующих строках изменится на противоположную. Глаз вследствие инерционности зрительного аппарата будет усреднять эту картину. Таким образом, за счёт компенсации от строки к строке и от кадра к кадру сигнал цветовой поднесущей на экране телевизора будет мало заметен, причём тем меньше, чем мельче структура сетки.

Так как спектр сигнала яркости дискретный и периодический, то в промежутки между его гармониками можно разместить гармоники сигнала цветности, который также является дискретным и периодическим. При выполнении условия (5.4) спектральные составляющие сигнала цветности располагаются точно посередине. Происходит так называемое перемежение (переплетение) частотных спектров сигналов яркости и цветности (рисунок 5.13), что в принципе даёт возможность с большой точностью разделять эти два сигнала в приёмном устройстве.

Рис. 5.13.Частотный спектр сигналов яркости и цветности

3. Помехи на изображении из-за присутствия в спектре полного ТВ-сигнала поднесущей частоты могут возникнуть также из-за биений между поднесущей частотой сигнала цветности и второй промежуточной частотой звукового сопровождения. Для уменьшения заметности помех её частоту, равную разности частот поднесущей f_S и второй промежуточной частоты звука по тем же соображениям, что были изложены в предыдущем пункте, также делают равной нечётной гармонике полустрочной частоты:

, (5.5)

где k – целое число. Из (5.3) и (5.4) следует, что

.

Заменив f_S его значением из (5.4), получим:

. (5.6)

Таким образом, требование (1.5) обязательно влечёт за собой требование (1.6). Но в любой вещательной системе телевидения определяется разносом несущих частот изображения и звука, и (1.6) можно записать как

, (5.7)

где m – целое число.

В стандарте США на чёрно-белое телевидение, в отличие от любого из европейских стандартов, это условие не выполнялось. В США в чёрно-белом телевидении =4,5 МГц; =15750 Гц. Таким образом, их соотношение составляло величину 285,714. Для выполнения условия (5.7) это соотношение необходимо было округлить до ближайшего целого числа, т.е. до 286, что заставило разработчиков системы NTSC изменить частоты развёрток соответственно на 0,1%: =15734,27 Гц, =59,94 Гц (вместо 60 Гц). Такое незначительное, но принципиальное изменение частот развёрток в цветной системе не потребовало переделывать генераторы развёрток чёрно-белых телевизоров, поскольку указанные новые значения частот развёрток заведомо находятся в полосе захвата синхронизируемых ими генераторов развёрток телевизора.

4. Множитель (2n+1) в (5.4) должен состоять из сомножителей, по возможности малых, чтобы облегчить достижение устойчивого деления частоты при получении в синхрогенераторе частоты строк из частоты задающего генератора, вырабатывающего частоту f_S. Оптимальным оказалось число (2n+1)=455 (13x7x5), что и обусловило выбор частоты поднесущей МГц. Стандартом предусмотрена допустимая нестабильность этого значения не более 0,0003%, т.е. не хуже 10 Гц.

Цветоразностные сигналы E_I и E_Q

В системе NTSC в её окончательном варианте были применены в качестве сигналов цветности не сигналы , а производные от них – сигналы и . Целесообразность перехода к этим сигналам объясняется тем, что для мелких предметов наше зрение дихроматично (двухцветно). Дихроматизм при нормальном зрении имеет место для предметов, которые при наблюдении имеют размер 12–20 угловых минут. При наблюдении предметов таких размеров зрительная система человека не различает разницы между синим и зелёным, красным и пурпурным цветами. Все цветовые оттенки воспринимаются как смесь оранжевого и голубого цветов. По мере дальнейшего уменьшения деталей глаз перестаёт различать цвет, и мы видим мелкие детали как чёрно-белые. Если на нерезкую границу перехода от одного цвета к другому наложить резкий перепад яркости, то глаз увидит чёткий переход от одного цвета к другому.

Применительно к телевидению из этого вытекают следующие выводы. Детали телевизионного изображения с размером 10–22 угловых минут, можно передавать в ограниченной цветовой гамме, соответствующей смеси оранжевых и голубых цветов. Исключение из передачи мелких цветных деталей не должно заметно отразиться на резкости цветовых переходов, если яркостные переходы воспроизводятся ТВ-системой резко.

Проведённые эксперименты показали, что все три сигнала должны передаваться ТВ-системой в полосе частот до 0,5 МГц. В полосе частот от 0,5 МГц до 1,5 МГц необходимо передавать цветовые сигналы, соответствующие смеси оранжевого и голубого цветов. В полосе частот от 1,5 МГц до максимальной частоты спектра можно передавать один бесцветный яркостный сигнал.

Применение новых квадратурных составляющих позволяет осуществить передачу цветного изображения следующим образом. Сигнал яркости передаётся в полной полосе частот. Сигнал цветности передаётся в полосе частот до 1,5 МГц, а сигнал в полосе до 0,5 МГц. В промежутке частот от 0,5 до 1,5 МГц передаются только два сигнала и обеспечивающие воспроизведение оранжево-красных и сине-зелёных цветовых оттенков. Переход от сигналов к сигналам позволяет несколько улучшить параметры системы, поскольку уменьшаются помехи со стороны сигналов цветности в яркостном канале и появляется возможность несколько повысить частоту поднесущей.

Применение сигналов E_I и E_Q, занимающих меньшую полосу частот в спектре яркостного сигнала, вместо обычных цветоразностных сигналов оказалось целесообразным, так как ширина видеоканала в стандарте США составляет всего 4,2 МГц и размещение цветовой информации в спектре яркостного сигнала представляет определённые трудности. В европейском варианте NTSC, использованном для сравнения различных систем цветного телевидения с шириной видеоканала 6 МГц, применялись сигналы .

Сигналы обладают основным свойством цветоразностных сигналов. Так же, как и сигналы , они равны нулю при передаче чёрно-белых деталей изображения. Формирование сигналов не представляет никаких принципиальных трудностей. Они могут быть получены из цветоразностных сигналов путём матрицирования согласно уравнениям

,

либо путём матрицирования сигналов согласно выражениям

,

переход к исходным цветоразностным сигналам производится по соотношениям