11.5 Принципы передачи и воспроизведения информации в цвете

Цветовое зрение. Техника цветного телевидения значительно сложнее, чем черно-белого. Однако существенные преимущества цветного изображения – его несравненно большие выразительность, естественность, определенность и отчетливость – оправды­вают это усложнение. Для многих передач цвет является совер­шенно необходимым компонентом.

Установлено, что человеческий глаз различает до 180 цвето­вых тонов. Может сложиться мнение, что для передачи всей гам­мы цветовых тонов нужно иметь канал связи, обладающий в 180 раз большей пропускной способностью, чем обычный черно-белый канал. Однако это не так. Замечательное свойство глаза – трех­цветное зрение – позволяет обходиться только трехкратным уве­личением пропускной способности цветного канала по сравнению с черно-белым. Применение специальных технических мер, кото­рые рассматриваются дальше, дает возможность еще больше со­кратить необходимую пропускную способность.

Идея теории трехкомпонентного цветового зрения, на которой основана система современного цветного телевидения, впервые была высказана М. В. Ломоносовым. Затем эту теорию обстоя­тельно развил Г. Гельмгольц.

Согласно данной теории в сетчатой оболочке человеческого глаза имеются три типа колбочек, обладающих различной спект­ральной чувствительностью. Возбуждение колбочек одного типа дает ощущение красного цвета, другого – зеленого и третьего – синего цвета. Световые лучи, падающие от наблюдаемого объек­та на сетчатку, воздействуют одновременно на колбочки всех ти­пов. Лучи белого цвета возбуждают в одинаковой степени все кол­бочки. При неодинаковой степени возбуждения различных кол­бочек возникает ощущение цветного изображения. Красный, зеле­ный и синий цвета называются основными. Они взаимонезависимы, так как ни один из них нельзя получить путем сложения двух других. Все остальные цвета получаются в результате одновре­менного воздействия на сетчатку световых колебаний трех основ­ных цветов, взятых в определенном количественном соотношении.

Принципы передачи цветного изображения. Из теории трехкомпонен­тного цветного зрения можно сделать вывод, что для пе­редачи цветного изобра­жения необходимо:

• разложить изобра­жение на три основных цвета: красный, зеленый и

синий;

• пре­образовать три цветовых изображения в электрические сигналы;

• передать электрические сигналы в приемник и преобразовать их в

оптические изображения красного, зеленого и синего цветов;

• смешать все три цветовых сигнала в один.

Различают поочередные и одновременные системы разложения и сложения цветов для передачи цветного изображения. При по­очередной системе все три сигнала основного цвета передаются последовательно по одному и тому же каналу связи. При одновре­менной системе все три сигнала основного цвета передаются одно­временно по разным каналам связи.

При выборе принципа передачи цветного изображения основ­ным является требование совместимости. Под термином «совмес­тимость» понимаются возможность приема цветных программ в черно-белом виде на обычные телевизоры и возможность использования многочисленного и дорогостоящего оборудования действу­ющих сейчас телевизионных станций и особенно линий междуго­родной связи для передачи цветных программ. Кроме того, цвет­ные телевизоры должны обеспечивать прием черно-белых про­грамм.

Для удовлетворения принципа совместимости необходимо, что­бы параметры цветного телевидения были такими же, как и чер­но-белого: частота кадров 25 Гц, ширина полосы частот сигнала изображения не превышает 6,5 МГц, число строк 625. В составе сигнала цветного телевидения должен быть такой сигнал, который на экране черно-белого телевизора давал бы нормальное черно-белое изображение. Следовательно, одним из сигналов изображе­ния цветного телевидения должен быть яркостный сигнал Y.

При поочередной системе для устранения мельканий вместо 25 кадров приходится передавать 75 кадров в секунду. При оди­наковом числе строк в кадре данная система цветного телевиде­ния имеет в 3 раза более широкую полосу частот сигнала изобра­жения по сравнению с черно-белым телевидением. Передавать и принимать такую широкую полосу частот при использовании ра­диоканала технически трудно. В телевизионном вещании поочеред­ная система цветного телевидения не применяется, в отличие от прикладных телевизионных систем.

Одновременная система цветного телевидения на первый взгляд требует расширения спектра частот в 4 раза, так как необходимо передать яркостный сигнал Y и сигналы цветности – красный R, зеленый G, синий В. Рассмотрим, каким образом удалось сокра­тить полосу частот в современной системе цветного телевидения.

Известно, что яркостный сигнал является суммой сигналов цветности: Y=0,59G + 0,3R + 0,11B. Поскольку в яркостном сигна­ле содержится 59% зеленого, специальный сигнал зеленого можно не передавать. При этом будет обеспечиваться совместимость (за счет передачи яркостного сигнала) и число сигналов сокращается до трех: яркостного, красного и синего.

Дальнейшее сужение полосы частот может быть достигнуто за счет свойства цветного зрения. Известно, что при малых уг­лах зрения мелкие окрашенные детали воспринимаются глазом как черно-белые. Следовательно, их можно передавать с помощью только одного сигнала, подобного сигналу черно-белого телевиде­ния. Ранее отмечалось, что мелким деталям изображения соответствуют высокие частоты, крупным – сравнительно низкие. Опытным путем было установлено, что для передачи цветных де­талей изображения достаточна полоса частот шириной всего око­ло 1,5 МГц.

Кроме того, сигналы красного и синего цветов помимо инфор­мации о цветовом тоне и насыщенности несут информацию о яр­кости данного участка изображения, которая является совершен­но излишней, поскольку уже имеется специальный яркостный сиг­нал. Поэтому вместо сигналов красного и синего цветов целесооб­разно передавать так называемые цветоразностныё сигналы

R-Y и В-Y, не несущие информации о яркости. Эти сигналы называ­ются сигналами цветности.

Рассматривая спектр телевизионного сигнала, мы от­мечали, что при построчной передаче изображения спектр яркостного сигнала оказывается дискретным (см. рисунок 11.6) и в нем име­ются свободные от сигнала участки. Так как полоса частот сиг­налов цветности существенно сокращена, появляется возможность уплотнить канал связи этими сигналами, разместив их в свобод­ных участках спектра. Это достигается соответствующим выбором поднесущей сигналов цветности.

Сигналы цветности в пределах свободного участка спектра могут передаваться одновременно и последовательно.

В Российской Федерации, а также во Фран­ции в качестве стандартной системы принята система SECAM (SEquential Couleur Avec Memoire – последо­вательная передача цветов с запоминающим устройством). Данная система является последовательно-одновременной систе­мой цветного телевидения, так как преобразование цветного изо­бражения в три первичных сигнала R, G и В происходит одновре­менно, а передача по линии связи двух цветоразностных сигналов осуществляется поочередно. Яркостный сигнал в системе SECAM передается непрерывно, а передача цветоразностных сигналов – поочередно (через строку): в течение одной строки передается сиг­нал B-Y, а в течение другой строки – R-Y.

Для поочередной передачи цветоразностных сиг­налов (рисунок 11.12,а) к ко­­дирующей матрице (КМ) подключается электронный коммутатор (ЭК). К его входам от кодирующей мат­рицы подводятся сигналы R-Y и В-Y. При переключении ЭК в момент обратного хода строчной развертки на его выходе появ­ляется сигнал с чередующимися цветами.

Полученный в результате коммутации цветоразностный сигнал после некоторой обработки используется для модуляции цветовой поднесущей. Промодулированная поднесущая смешивается с сиг­налом яркости Y, в результате чего получается цветовой телеви­зионный сигнал.

В декодирующем устройстве (рисунок 11.12,б) ставятся линия за­держки (ЛЗ) на длительность одной строки (64 мкс) и электрон­ный коммутатор. На входы последнего поступают сигналы цветно­сти с входа и выхода линии задержки. В результате в каждый мо­мент на входе коммутатора имеются два цветоразноcтных сигна­ла: один, который действительно передается в данное время на данной строке (например, R-Y), и другой, который передавался во время предыдущей строки, но был задержан в линии задерж­ки. Поскольку выходы коммутатора подключаются к каждому из его входов через строку, то на соответствующем выходе комму­татора выделяется только один вид цветоразностного сигнала.

Рисунок 11.12 - Упрощенная структурная схема системы SECAM: а – передающая часть; б – приемная часть

На одном из выходов коммутатора выделяется цветовая под­несущая сигнала R-Y, а на втором – В-Y. Конечно, правильное распре­деление сигналов возможно при синфазной и синхронной работе коммутаторов кодирующего и декодирующего устройств.

Способ передачи и приема цветоразностных сигналов и различает между собой современные вещательные системы цветного ТВ. В настоящее время в различных странах мира эксплуатируются три вещательные системы цветного телевидения. В нашей стране и еще в 60 странах мира с населением 760 млн. человек используется рассмотренная система цветного телевидения SECAM.

В США разработана цветная система с квадратурной модуляцией поднесущей частоты NTSC (National Television System Committee, т.е. система, предложенная Национальным комитетом ТВ систем), которая используется в 54 странах мира с населением 870 млн. человек. В ФРГ разработана система с квадратурной модуляцией и строчно-переменной фазой PAL (Phase Alternation Line). Система PAL эксплуатируется в 81 стране мира с общим населением 3,5 млрд. человек.

В качестве сигналов для передачи цветовой информации в системе NTSC (525 строк, 30 кадров в секунду) приняты также цветоразностные сигналы. Различие заключается в том, что оба цветоразностных сигнала передаются одновременно, в каждой строке развертки, причем без расширения полосы частот, занимаемой сигналом цветности в спект­ре сигнала яркости. Это достигнуто применением квадратурной модуляции, при которой две поднесущие, модулируемые цветораз­ностными сигналами по амплитуде, имеют одну и ту же частоту, но сдвинуты друг относительно друга по фазе на 90°.

Кроме эксплуатационных недостатков, связанных со сложным принципом передачи и разделения сигналов цветности – квадратурной модуляцией и синхронным детектированием, необходимо указать на большую подверженность системы NTSC искажениям типа «дифференциальная фаза» и «дифференциальное усиление». Первое приводит к искажениям цветового тона, который изменяется в зависимости от мгновенного значения сигнала яркости. Второе из-за нелинейности амплитудных характеристик приводит к искажениям насыщенности цвета.

Система PAL (625 строк, 25 кадров в секунду) в своей основе содержит все идеи американской NTSC. Особенность PAL заключается в оригинальном способе устранения фазовых искажений, присущих системе NTSC. В системе PAL фаза поднесущей одного цветоразностного сигнала от строки к строке меняется на 180 градусов. Кроме того, в приемнике используется линия задержки на время одной строки (64 мкс). Т.е. имеются два сигнала цветности с относительной задержкой на одну строку. Изменение фазы от строки к строке на 180° приводит к тому, что фазовые ошибки, одинаковые по величине, имеют разные знаки. Сложение напряжения на входе линии задержки с перевернутым напряжением на ее выходе устраняет ошибку (сбой) фазы.

При очевидных достоинствах главным недостатком системы PAL является существенное усложнение ТВ-приемника за счет введения в его схему дополнительных узлов для задержки сигнала цветности на время одной строки и периодического изменения фазы цветоразностного сигнала.

В целом, если сегодня поставить рядом три телевизора достаточно хорошего класса и подать на них одну и ту же передачу, но в трех разных стандартах (NTSC, PAL, SECAM), то глаз рядового телезрителя не сумеет уловить разницы

Ниже в таблицах 11.1 и 11.2 приведены основные характеристики телевизионных систем и их модификации.

Напомним, что в России принят стандарт SECAM D/K (первая буква относится к диапазону метровых волн, вторая – дециметровых), во Франции – SECAM E/L, Монако – SECAM C/L, Иране – SECAM B, Германии – PAL B/G, Англии – PAL A/I, Бельгии – PAL B/H, Бразилии – PAL M/M, Китае – PAL D/K, в США, Японии и Тайване – NTSC M/M.

В заключении отметим, что французский и российский SECAM существенно отличаются в модуляции несущего радиосигнала – как по видео, так и по звуку. А на уровне низкочастотных сигналов отличий нет. Основное отличие между SECAM B/G и D/K – в частоте разноса звука от видео. В то же время с точки зрения модуляции радиосигналов отличий между PAL D/K и SECAM D/K нет. Это позволяет использовать телевизионный тюнер, настроенный на PAL D/K, для выделения нашего SECAM из высокочастотного сигнала. Очевидно, что полученный при этом низкочастотный сигнал все же необходимо подавать именно на SECAM-декодер.

Таблица 11.1 – Основные характеристики телевизионных систем

Тип системы	NTSC	PAL	SECAM
Частота вертикальной развертки, Гц	60	50	50
Частота горизонтальной развертки, кГц	15,374	15,625	15,625
Число строк в кадре	525	625	625
Число видимых строк в кадре	480	576	576
Тип модуляции цветовой поднесущей	Амплитудная	Амплитудная	Частотная
Полоса видеосигнала, МГц	4.2	5 для B/G; 5,5 для I; 6 для D/K
Частота цветовой поднесущей, МГц	3.60	4,43	4,41 по U, 4,25 по V
Разнос несущих видео/звук, МГц	4,5	5,5 для B/G; 6 для I; 6,5 для D/K
Полная ширина сигнала, МГц	6	7 для B/G; 8 для I/D/K

Таблица 11. 2 – Модификации телевизионных систем

Стандарт	Чис­ло строк	Ширина канала, МГц	Полоса частот видеосигна­ла, МГц	Разнос видео/ звук, МГц	Поляр­ность модуляции видео	Тип модуля­ции несущей звука
A	405	5	3	3,5	+	AM
B	625	7	5	5,5	-	ЧМ
C	625	7	5	5,5	+	AM
D	625	8	6	6,5	-	ЧМ
E	819	14	10	11,15	+	AM
F	819	7	5	5,5	+	AM
G	625	8	5	5,5	-	ЧМ
H	625	8	5	5,5	-	ЧМ
I	625	8	5,5	6	-	ЧМ
K	625	8	6	6,5	-	ЧМ
L	625	8	6	6,5	+	AM
M	525	6	4,2	4,5	-	ЧМ
N	625	6	4,2	4,5	-	ЧМ