Системы цветного телевидения

Сейчас применение систем черно-белого телевизионного вещания ограничено. Современное вещательное телевидение основано на передаче цветного изображения с применением плоских экранов па плазменных и жидкокристаллических панелях.

Сейчас существуют три основные совместимые системы цветного телевидения:

• • совместная советско-французская система SECAM (от фр. systeme еп couleuravec memoire — цветная система с запоминанием; 1958 г.);
• • западногерманская PAL (от англ. phase alternation line — строки с переменной фазой; 1962 г.);
• • американская NTSC (от англ. National Television System Commitee — Национальный комитет телевизионных систем; 1953 г.).

Цветное телевидение в Российской Федерации действует по системе SECAM, совместимой с черно-белой системой и отличающейся поочередной передачей двух цветоразностных сигналов при непрерывной передаче сигнала яркости. Она также принята во Франции и некоторых других странах Европы и Африки. В телевизионной системе SECAM для сохранения четкости изображения (передачи мелких деталей) полоса видеосигнала яркости должна быть около 6,5 МГц. Поскольку на экране заметна окраска только крупных деталей изображения, полоса частот цветоразностных сигналов может быть уже.

В последнее время телевизионные приемники в нашей стране способны принимать передачи цветного телевидения и по системе SECAM, и по системе PAL. Так же как и SECAM, система PAL в странах Европы и в России работает в 625 строках с частотой 25 кадров, или 50 полей, в секунду.

Разработку телевизионной системы NTSC осуществила американская компания National Television System Committee, аббревиатура которой и дала название стандарту. Полностью стандарт NTSC был сформулирован 17 декабря 1953 г. в США. Одной из задач, которые ставились при разработке системы NTSC, являлась совместимость с существовавшим на то время форматом черно-белого вещания. Это и определило разрешение в 525 строк с частотой 30 кадров, или 60 полей, в секунду. Из-за особенностей большинства телевизионных приемников на самом деле обычно человек видит всего около 480 строк.

В системе SECAM передаваемый полный цветной телевизионный сигнал по структуре существенно сложнее, чем сигнал черно-белого телевидения, и несет в себе значительно больше информации. Широковещательная система цветного телевидения SECAM полностью совместима с этой же системой черно-белого телевидения — передачу сигналов цветного изображения осуществляют по тем же каналам и в той же полосе рабочих частот, по которым ведется черно-белое телевизионное вещание. Общие характеристики цветного телевидения практически такие же, как и у черно-белого телевидения.

Для обеспечения принципа совместимости обеих телевизионных систем — цветного и черно-белого — в составе сигнала цветного телевидения должен быть такой сигнал, который на экране черно-белого телевизора давал бы черно-белое изображение. Следовательно, одним из сигналов изображения цветного телевидения должен быть сигнал опорного белого — сигнал яркости. А сколько же цветов надо при этом передавать?

При создании систем цветного телевидения используют физиологические свойства глаза человека. Согласно принятой теории трехкомпонентного зрения три вида колбочек в глазу воспринимают синий, зеленый и красный цвета. Остальные цвета представляют собой смесь этих основных цветов. Белый цвет для глаза человека может быть представлен суммой световых потоков всех трех цветов: красного (red) E_R, зеленого (green) E_G и синего (blue) Е_в. Таким приемом широко пользуются художники, смешивая на палитре краски. Поэтому сигнал яркости Е_у легко кодируется тремя сигналами цветности.

Коэффициенты неодинаковы: а = 0,30; b = 0,59; с = 0,11. Они определяются чувствительностью глаза к различным цветам. Сигнал яркости должен иметь такую же ширину спектра, как в черно-белом телевидении. Сигналы цветности могут быть сравнительно узкополосными, так как глаз человека воспринимает окрашенными в различные цвета только относительно крупные детали. Мелкие детали глаз видит черно-белыми.

На рис. 1.23 приведена структурная схема формирователя (электрическая матрица), используемого для получения сигнала яркости из трех основных цветов. Так как операция получения напряжения сигнала яркости Е_у из цветовых сигналов является линейной и коэффициенты а, Ь, с меньше единицы, то электрическая матрица содержит резисторы /?1, R2, R3 и представляет собой по существу делители напряжений с общим выходным сопротивлением /?_вых. Для получения информации о цвете изображения используют два цветоразностных сигнала, к искажениям тонов которых глаз менее чувствителен: E_R — Е_у и Е_в — Е_у. При передаче трех сигналов Е_у, E_R — Е_у, Е_в — Е_у — яркости и двух цветоразностных — в телевизионном приемнике возможно получение всех требуемых сигналов: Е_у, E_R, Е_с, Е_в. Для этого необходимо выполнение следующих операций:

Формирование сигнала яркости Е_у из трех составляющих Е_к — Е_у, Е_с — Е_у и Е_в — Е_у осуществляют электрическими матрицами. Операцию вычитания выполняют элементарным прибавлением сигнала с противоположной фазой.

Рис. 1.23. Структурная схема формирователя сигнала яркости

Для обеспечения совместимости систем цветного и черно-белого телевидения необходимо также, чтобы частота кадров была одинаковой и равной 25 Гц, полоса частот видеосигнала составляла примерно 6,5 МГц, а число строк — 625.

В системе SEC AM для передачи цветоразностных сигналов используют две иоднесущие частоты, сдвинутые относительно несущей частоты изображения /₀ на интервалы f_0B = 4,25 МГц и f_0R = 4,406 МГц соответственно для передачи цветоразностных сигналов Е_в — Е_у и E_R — Е_у. Поднесущие частоты лежат в области малых составляющих спектра сигнала яркости и модулируются цветоразностными сигналами. При этом применяют частотную модуляцию с частичным подавлением верхних боковых полос. Цветоразностные сигналы передают поочередно — через строку. В течение передачи одной строки передают один цветоразностный сигнал, в течение передачи следующей строки — другой. Канал связи при этом «уплотняется», однако ширина спектра остается неизменной.

Упрощенная структурная схема цветного телевизионного передатчика изображена на рис. 1.24. Световой поток от изображения, пройдя через объектив О, падает на дихроичные зеркала (светофильтры) ДЗ, и Д3₂, разделяющие световой поток, но спектру и выделяющие красную, зеленую и синюю составляющие, которые с помощью зеркал 3_{ и 3₂ подают на соответствующие телевизионные передающие трубки ТП_Р ТП₂ и ТП₃ (структурно трубки объединены в одну). На выходе трубок формируются видеосигналы Е_я, Е_с и Е_в. Видеосигналы через соответствующие усилители > поступают на электрическую матрицу, на выходе которой появляются сигналы Е_у, E_R — Е_у и Е_в — Е_у. Сигнал Е_у поступает на вход амплитудного модулятора (AM), на другой вход которого подается колебание несущей частоты изображения /₀ от генератора несущей частоты.

Амплитудный модулятор формирует AM-сигнал, несущий информацию о яркости отдельных элементов изображения. Цветоразностные сигналы E_r — Е_у и Е_в — Е_у после ограничения их спектра — фильтрации в фильтрах низкой частоты (ФНЧ) — поступают на частотные модуляторы (ЧМ), на которые подают также несущие колебания/₀ + f_0R и/₀ -f_0B. Электронный ком;

Рис. 1.24. Упрощенная структурная схема цветного телевизионного передатчика

мутатор поочередно пропускает ЧМ-сигналы. Эти сигналы вместе с АМ-сигналом яркости после усиления в усилителе мощности > поступают в антенну телевизионного передатчика, которая излучает полученные электромагнитные волны. В схеме цветного телевизионного передатчика имеются еще генератор синхроимпульсов и генераторы развертки, которые на рис. 1.24 для упрощения не показаны. Передача звука производится так же, как и в черно-белом телевидении.

На рис. 1.25 показана упрощенная структурная схема цветного телевизионного приемника, содержащая антенну, входную цепь, усилитель высокой частоты (УВЧ), смеситель и гетеродин. С выхода смесителя сигнал поступает на усилитель промежуточной частоты (УПЧ), затем детектируется видеодетектором и усиливается видеоусилителем. Практически все эти элементы приемника, а также канал звука и развертки аналогичны соответствующим элементам черно-белого телевизионного приемника. Основное отличие цветного телевизионного приемника — наличие блока цветности (на рис. 1.24 он для упрощения не выделен), формирующего три цветоразностных сигнала E_R — Е_уу Е_с — Е_у и Е_в — Е_у.

Рис. 1.25. Упрощенная структурная схема цветного телевизионного приемника.

Фильтр Е_у с полосой частот 6,5 МГц, включенный на выходе видеоусилителя, выделяет сигнал яркости. Сигнал яркости Е_у поступает и на вход фильтра цветоразностных сигналов, который выделяет частотно-модулированные цветоразностные сигналы с несущими частотами f_0R и f_0I}. С помощью электронного коммутатора, управляемого синхроимпульсами селектора синхроимпульсов, эти сигналы поступают на ограничители (для устранения паразитной амплитудной модуляции), частотные детекторы и усилители. На выходе усилителей получают цветоразностные видеосигналы Е_к — Е_у и Е_с — Е_у. Эти сигналы и сигнал яркости Е_у подаются на матрицу, на выходе которой получают три цветоразностных сигнала Е_к — Е_у, Е_с — Е_у и Е_в — Е_у. Вместе с сигналом Е_у они поступают на цветной кинескоп и позволяют получить на нем цветное изображение.

Системы цифрового телевидения. Структурная схема современной цифровой телевизионной системы приведена на рис. 1.26.

Рис. 1.26. Структурная схема системы цифрового телевидения.

В качестве источника телевизионного сигнала служит передающая камера или видеомагнитофон, напряжение с выхода которых поступает на аналого-цифровой преобразователь {АЦП) изображения. В цифровой телевизионной системе используется компонентное (раздельное) кодирование, при котором в цифровую форму отдельно преобразуют сигнал яркости и цветоразностные сигналы. Преобразованные в цифровую форму сигнал яркости и цветоразностные сигналы подают на кодер изображения. Схема кодирования достаточно сложна, и в ней заложен ряд новейших принципов цифрового преобразования сигналов.

В передатчике вместе с сигналами изображения формируют и сигналы звука. Звуковой сигнал с источника звука через АЦП звука подают на кодер звука. Кодированные сигналы изображения и звука объединяют в общий поток в мультиплексоре. Далее объединенные сигналы изображения и звука поступают на кодер канала и модулятор, где осуществляют помехоустойчивое кодирование и модуляцию несущего колебания.

Сформированный радиосигнал цифровой телевизионной системы передается по соответствующему каналу связи и поступает в телевизионный приемник. Здесь в демодуляторе и декодере канала производятся демодуляция несущего колебания и декодирование помехоустойчивого кода общего сигнала изображения и звука. Затем в демультиплексоре из общего потока информации выделяются цифровые яркостные и цветоразностные сигначы изображения и сигначы звука, которые потом раздельно обрабатываются в декодере изображения и декодере звука. После преобразования сигнала яркости и цветоразностных сигналов в цифроаналоговом преобразователе (ЦЛП, от англ. digital-to-analog converter) изображения в аналоговую форму они поступают на монитор (экран), на котором воспроизводится цветное изображение. Декодированный сигнал звука также преобразуется в ЦЛП звука в аначоговую форму и поступает на громкоговоритель телевизионного приемника.

В последние годы требуемую полосу частот цифрового телевизионного сигнала удалось сузить в восемь раз, используя оптимальное цифровое кодирование, аналогичное кодированию информации в глазу человека.

Системы телевидения высокой четкости. Более 20 лет назад консорциум из нескольких телевизионных компаний начал разработку нового цветного телевизионного стандарта НО ТУ (от англ, high definition television, рус.

ТВЧ — телевидение высокой четкости). Обычный телевизор выдает разрешение 720×480, или 345 600 пикселей. Естественно, что чем большей плотности точек удается достичь, тем выше качество изображения. Разработчики HDTV достигли разрешения 1920×1080, т. е. больше 2 000 000 пикселей. При этом получено не просто 1080 точек, а так называемое 1080 interlaced (чересстрочная развертка кадра), когда, упрощенно говоря, изображение не просто передается покадрово, а кадры как бы частично накладываются друг на друга, что еще более усиливает эффект четкости изображения.

В настоящее время изображение в формате HD транслируют в основном компании спутникового телевидения, но есть все основания утверждать, что вскоре большинство каналов будет транслироваться в формате HD. Кабельное телевидение тоже транслирует HD-сигнал, однако для этого требуется дополнительное оборудование.

Обычные телевизоры, к которым мы привыкли, имеют пропорцию (ширины и высоты) 4:3. Новые, особенно же прожекторные Ш)7У-приемники, имеют, как правило, пропорцию экрана 16:9 — это так называемые wide screen TV. Желая смотреть обычные передачи по телевизору с экраном 16:9 в полный экран, зритель получит вытянутое в ширину и поэтому слегка искаженное изображение. Впрочем, все Ш>телевизоры уже имеют возможность при необходимости менять формат изображения, т. е. на экране 16:9 получать изображение 4:3, на экране 4:3—16:9, и при этом часть экрана в обоих случаях будет обрезана соответственно или по бокам, или сверху и снизу. Установлено, что изображение ТВЧ по количеству содержащейся видеоинформации превосходит применяемые системы практически вдвое, а по яркости красок и богатству деталей — во много раз. Звук в ТВЧ-системах — стереофонический.

Тенденции развития телевидения. На современном этапе научно-технического прогресса будут происходить дальнейшее совершенствование и полномасштабная интеграция видеоипформационных и телекоммуникационных технологий для предоставления требуемого спектра стационарных и мобильных мультимедийных услуг связи широкому кругу пользователей. Важным аспектом в развитии телевидения является разработка новых систем, улучшение их качественных и количественных характеристик. Это касается дальнейшего совершенствования самих устройств отображения двумерных и объемных цветных ТВ-изображений.

Основное развитие видеоинформационных технологий и систем вещательного и прикладного телевидения будет связано с решением научно-технических задач, включающих:

• • разработку новых подходов и принципов формирования, передачи и отображения видеоинформации, предусматривающих новый этап развития по сравнению с классическими решениями в области телевидения прошлого столетия;
• • разработку более высокоэффективных методов компрессии видеосигналов п их цифровой видеозаписи;
• • создание новых методов и устройств канального кодирования и модуляции ТВ-сигналов, для того чтобы в стандартной полосе частот канала связи можно было передать большее число исходных сигналов вещательных ТВ-программ;
• • внедрение систем мобильного цифрового телевидения разного формата;
• • внедрение систем объемного и многоракурсного вещательного и прикладного цифрового телевидения;
• • создание различных прикладных ТВ-систем управляющего, информационно-измерительного и распознавательного характера с высоким разрешением, в том числе для видеонаблюдения объектов в рамках заданной местности, района, региона, отдельной страны или в планетарном масштабе для контроля и мониторинга стационарных и движущихся объектов окружающей среды.

В создаваемой глобальной информационной инфраструктуре особое место занимает многофункциональная интерактивная видеоинформационная система. Ее предтечей по праву считают телевизионные системы. Именно эволюция составных частей телевизионной системы сделала возможным выход телекоммуникаций на новый качественный уровень. Так, телевизионные аппараты в результате конвергенции преобразуются в многофункциональные терминалы, обладающие множеством различных функций. Назовем некоторые свойства современных терминалов: интерактивность, возможности передачи медиаметрийной информации, мобильного использования, мультимедиа, доступа к цифровым архивам и др. Терминалы должны обеспечивать дистанционное беспроводное управление всем информационным комплексом абонента. Источники сигналов программ (видео, звук, данные) многопрограммного телевидения, ТВЧ, стереоскопического телевидения, компьютерного телевидения объединены в модуле вещания, включающем различные технические средства подготовки и формирования программ.