Полный телевизионный сигнал и его стандарты

СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ ВЕЩАНИЯ

Сигналы систем спутникового телевизионного и звукового вещания

При передаче по системам радиосвязи телевизионных программ необходимо одновременно передавать два сообщения: телевизионное (видеосигнал) и звуковое. Причем в некоторых случаях требуется передавать не одну, а одновременно несколько (до четырех-восьми) звуковых программ. В ряде случаев ставится задача передачи большого числа звуковых программ не дополнительно к телесигналу, а отдельно от него.

Ширина полосы видеоспектра, занимаемая каналом телевизионного изображения, составляет 50 Гц...6 МГц, а динамический диапазон – 26...30.5 дБ.

Ширина спектра аналогового видеосигнала намного больше, чем телефонного. Поэтому передавать его как аналоговым, так и цифровым методами значительно сложнее. Кроме этого, телевизионный сигнал требует очень сложных алгоритмов своей эффективной оцифровки.

В этой связи, прежде чем перейти к рассмотрению систем спутникового вещания, рассмотрим более подробно существующие в настоящий момент методы формирования и передачи сигналов спутникового телерадиовещания.

Полный телевизионный сигнал и его стандарты

Полный сигнал монохромного черно-белого телевидения состоит из сигнала яркости, несущего информацию о яркости передаваемого изображения, и синхронизирующих импульсов строк и полей телевизионного кадра. Кроме синхроимпульсов в состав телевизионного сигнала должны также входить гасящие импульсы, которые «запирают» изображение во время обратного хода строчной и кадровой разверток.

Возможны два способа передачи сигнала: позитивный, при котором максимальной яркости соответствует наибольшая амплитуда сигнала, и негативный, при котором наибольшей яркости соответствует наименьшая амплитуда сигнала.

Преимуществом негативного способа является то, что с увеличением сигнала образуемая на экране из-за помех черная точка (полоса) менее заметна на фоне изображения по сравнению с яркой светлой точкой (полосой), образующейся по той же причине при позитивном методе передачи.

Для черно-белого телевидения существует десять стандартов, которые принято обозначать латинскими буквами: В, D, G, Н, I, К, Kl, L, М, N.

Стандарт телевизионного сигнала – совокупность определяющих его основных характеристик: способ разложения изображения, число строк и кадров, длительность и форма синхронизирующих и гасящих импульсов, полярность сигнала, разнос между несущими частотами изображения и звукового сопровождения, метод модуляции последней и т.д. (таблица 3.1).

Стандарты М и N, нормирующие граничную частоту спектра сигнала яркости равной 4,2 МГц, используются в странах Северной и Южной Америки, Японии, Южной Корее и ряде других государств Юго-Восточной Азии. Граничная частота 5 МГц (стандарты В, G, Н) используется в системах телевидения, применяемых в большинстве держав Западной и Северной Европы, Северной и Восточной Африки, Юго-Западной и Южной Азии, в Австралии. Стандарт I нормирует граничную частоту сигнала яркости 5,5 МГц и используется в Великобритании и государствах Южной Африки. Страны – бывшие республики Союза ССР, государства Восточной Европы, Франция, Китай и ряд государств Центральной Африки используют стандарты D, К, Kl, L, нормирующие граничную частоту сигнала яркости 6 МГц.

Таблица 3.1 – Характеристики стандартов черно-белого телевидения

Системы цветного телевидения. По способу передачи сигналов цветности различают три системы цветного телевидения: SECAM, NTSC и PAL. Каждая из трех систем может применяться с любым из десяти стандартов черно-белого телевещания, давая тридцать возможных комбинаций. На практике применяется девять разновидностей системы PAL, шесть – SECAM и одна из группы NTSC.

Система цветного телевидения SECAM используется в странах СНГ и Восточной Европы, во Франции, в большинстве стран Северной Африки и Юго-Западной Азии. Система PAL применяется, в частности, в большинстве стран Западной и Северной Европы, в Индии, Китае, Австралии, Бразилии, Аргентине, Анголе и ряде других. Телевизионная система NTSC используется в Северной и Центральной Америке, в ряде государств восточной части Южной Америки, а также в Японии, Южной Корее и ряде других стран Юго-Восточной Азии.

Стандартные системы цветного телевидения отличаются в основном принципами формирования сигнала цветности, передаваемого на поднесущих частотах путем уплотнения спектра полного телевизионного сигнала монохромного телевидения. Телевизионные системы, как следует из правил колориметрии, должны воспроизводить все цветности, лежащие в пределах так называемого треугольника основных цветов на диаграмме Международной комиссии по освещению (МКО). Это осуществляется различными сочетаниями (линейной комбинацией) трех основных цветов R _l, G _{l ,} B _l, (R означает red – красный цвет, G – green, зеленый, а В – blue, синий).

При формировании полного цветового телевизионного сигнала во всех системах цветного телевидения используется сигнал яркости , который является суммой сигналов цветности:

Y = 0,299·R _l + 0,587 G _l + 0,114·B _l

Поскольку в сигнале яркости содержится 58,7% зеленого, специальный сигнал зеленого можно не передавать. При этом обеспечивается совместимость с монохромным телесигналом (благодаря передаче яркостного сигнала), и число сигналов сокращается до трех: яркостного. красного и синего.

Кроме информации о цветовом тоне и насыщенности сигналы красного и синего цветов несут информацию о яркости данного участка изображения, которая является лишней, поскольку уже передается сигнал яркости. Поэтому вместо сигналов красного и синего цветов целесообразно передавать цветоразностные сигналы R _l – Y и B _l – Y, которые не несут информацию о яркости. Эти сигналы и называют сигналами цветности. Они могут передаваться одновременно или последовательно в пределах свободного участка спектра телевизионного сигнала.

Система NTSC. В системе NTSC два цветоразностных сигнала передаются одновременно с помощью амплитудной модуляции двух колебаний поднесущей частоты с фазами 0 и 90° (квадратурная модуляция). Результирующее колебание поднесущей имеет амплитудно-фазовую модуляцию, причем его амплитуда определяется насыщенностью цвета, а фаза – цветовым тоном. Основным недостатком системы является необходимость обеспечения предельных параметров частотно-фазовых характеристик всех звеньев телевизионного тракта.

Система PAL. В системе PAL также используется квадратурная модуляция. Однако существенно снижены требования к частотно-фазовым характеристикам ТВ тракта за счет периодического, через интервал строчной развертки, изменения фазы одной из квадратурных составляющих на 180.

Система SECAM. Система цветного телевидения SECAM является последовательно-одновременной. Сигнал яркости в системе SECAM передается непрерывно, а цветоразностные сигналы – поочередно (через строку): в течение одной строки передается сигнал B _l – Y, а в течение другой – R _l – Y. Полученный в результате коммутации цветоразностный сигнал после обработки используется для частотной модуляции цветовой поднесущей. Промодулированная поднесущая смешивается с сигналом яркости Y, в результате чего получается цветовой телевизионный сигнал.

В декодирующем устройстве используются линия задержки на длительность одной строки и электронный коммутатор. В результате в каждый момент на входе коммутатора имеется два цветоразностных сигнала: один, который действительно передается в данное время на данной строке, 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.

Телевидение высокой четкости. Всем рассмотренным стандартам телевидения свойственны общие недостатки – невысокая разрешающая способность, помехи от поднесущей, перекрестные искажения сигналов яркости и цветности, мерцание изображения из-за недостаточно высокой частоты кадров, дрожание строк и т.д. Устранить эти недостатки, обеспечить существенное повышение качества телевизионного изображения, приближая его восприятие к зрительному осязанию естественных, натуральных сцен и сюжетов призвано телевидение высокой четкости (ТВЧ). ТВЧ имеет примерно удвоенную разрешающую способность (1920x1080 пикселей) и частоту смены кадров 50 и 60 Гц. При этом предполагается использование единого формата изображения CIF (Common Intermediate Format – общий промежуточный формат), обеспечивающего совместимость ТВЧ для различных применений, включая цифровое телевидение и компьютерные изображения. Система CIF имеет кодировки 1080/60/2:1, 1080/60/1:1 и 1080/50/1:1, 1080/50/2:1 с 1920 отсчетами на активную строку при отношении сторон изображения 16:9. Для сигнала яркости используется разрешение 352x288 (область значимых пикселей), а для цветоразностных компонентов 176x144. Чересстрочная развертка не применяется. Частота кадров по умолчанию составляет 29,97 кадр./с, но может быть и понижена до 15 или 10 кадр./с. Декодер должен быть способен раскодировать поток с пропущенными кадрами, так как для увеличения сжатия предусмотрена возможность пропуска при кодировании отдельных кадров вместо того, чтобы поддерживать частоту кадров неизменной.

Объем информации, содержащийся в каждом кадре изображения ТВЧ, возрастает в пять-шесть раз по сравнению с обычным телевидением. Все это означает, как минимум, увеличение граничной частоты спектра телевизионного сигнала. В последнее время в США, Японии, европейский странах проводились многочисленные разработки новых телевизионных стандартов с улучшенным качеством изображения, сравнимым с ТВЧ.

В настоящее время осуществляется международная стандартизация системы ENHANCED SECAM. представляющая собой систему телевидения повышенного качества, рассчитанную на передачу широкоэкранного изображения. Причем искажения, характерные для стандартной системы SECAM, в ней существенно уменьшены при условии максимальной совместимости с действующей инфраструктурой и приемниками стандартной системы.

При формате изображения 16:9 в системе ENHANCED SECAM предусматривается использование формата сигналов на входе кодера и на выходе декодера 625/50/2:1. Система рассчитана на два режима работы. Это режим «кино», используемый только для работы с аппаратурой телекино, и режим «камера», используемый для работы с обычными источниками сигнала с частотой полей 50 Гц.

Попыткой приблизиться к телевидению повышенного качества в Европе стал новый стандарт PALplus, явившийся дальнейшим развитием системы PAL. В нем несколько увеличена разрешающая способность, введен формат изображения 16:9, устранены наиболее характерные искажения телесигнала стандарта PAL.

Однако системы ENHANCED SECAM и PALplus нельзя отнести к ТВЧ, так как их параметры разложения изображения не претерпели достаточных изменений. Радикальное улучшение качества изображения, которое предполагает ТВЧ, не может быть достигнуто модификацией существующих стандартных систем цветного телевещания, поэтому применение стандарта ТВЧ главным образом связывается с внедрением цифрового телерадиовещания.

Системы SECAM, NTSC и PAL были разработаны для наземных аналоговых телевещательных сетей, использующих амплитудную модуляцию (AM) несущей изображения, которая технически реализуется наиболее просто. При ее использовании мощность сигнала на выходе приемника линейно (без порога) зависит от мощности на его входе. Весьма экономно расходуется полоса частот. В случае однополосной AM спектр сообщения (первичного сигнала) переносится на несущую без его расширения. Однако применению AM препятствуют: слабая помехозащищенность сигнала, для повышения которой нужен значительный уровень мощности сигналя, а также необходимость использования выходных каскадов с пиковой мощностью, в П² раз превышающем среднюю мощность (П – пик-фактор сигнала), что требуется для обеспечения линейности усиления. В связи с этим для спутниковых систем телерадиовещания, так и для современных наземных микроволновых телерадио-информационных систем (таких как МИТРИС) в основном используется частотная модуляция (ЧМ).

Поиск по сайту: