Частотное уплотнение сигналов яркости и цветности

Рассмотренный способ сокращения избыточности цветного ТВ изображения не решает окончательно проблему совместимости, так как необходимо триаду сигналов U_Y (6 МГц), U_R-Y и U_B-Y (по 1, 5 МГц) «упаковать» в единый комплексный кодированный полный сигнал цветного телевидения (ПЦТС) с полосой частот 6 МГц. Такой сигнал принято в литературе называть композитным, в отличие от триады компонентных сигналов U_Y, U_R-Y, U_B-Y.

Способы уплотнения сигналов могут быть различными, но в широко распространенных в настоящее время совместимых системах NTSC, PAL и SECAM используется частотный метод уплотнения, на котором остановимся более подробно. Метод частотного уплотнения основан на двух важных особенностях спектра телевизионного сигнала (как яркостного, так и цветоразностных):

· спектр ТВ сигнала имеет линейчатую структуру и состоит из гармоник строчной частоты, каждая из которых промодулирована спектром гармоник частоты полей;

· 90 % и более энергии спектра ТВ сигнала сосредоточено в низкочастотной области спектра приблизительно от 0 Гц до 100 кГц.

Сказанное поясняется рисунком 3.7, где представлена общая спектральная картина и выделен фрагмент, показывающий тонкую структуру

 

Рисунок 3.7 – Структура спектра ТВ сигнала

спектра. На фрагменте видно, что между двумя соседними гармониками строчной частоты, каждая из которых промодулирована спектром гармоник частоты полей, имеется промежуток, свободный от составляющих спектра. Ширина этого промежутка составляет около 10 кГц, откуда следует, что линейчатый спектр ТВ сигнала на две трети пуст от спектральных составляющих и, следовательно, имеется реальная возможность передавать в этих свободных зонах дополнительную информацию.

На рисунке 3.7 середина пустой зоны отмечена точкой A; частота, на которой расположена точка A, нечетно кратна половине строчной частоты, т.е. соответствует формуле .

Принцип уплотнения поясняется на рисунке 3.8 и заключается в следующем. Выбирается поднесущая f ₀, отвечающая одновременно следующим условиям:

(3.1)

Рисунок 3.8 – Уплотнение яркостного и цветоразностных сигналов

Если привести численный пример, то применительно к стандарту России это может быть, например, частота f ₀ =287, 5 f _c =4, 4921875 МГц. Затем поднесущая модулируется одним или двумя цветоразностными сигналами, в результате чего спектр цветоразностных сигналов (1, 5 МГц) переносится на поднесущую частоту, занимая относительно нее симметричное положение в виде верхней и нижней боковой полос. После этого сигнал яркости суммируется с сигналом модулированной поднесущей, образуя композитный ПЦТС.

Но объединение сигналов яркости и цветности в один сигнал означает совмещение каналов яркости и цветности, что и показано на рисунке 3.8, а, который можно трактовать следующим образом (применительно к стандарту России): канал связи совместимой системы цветного телевидения обеспечивает равномерную АЧХ для сигнала яркости в полосе частот от 0 до 6 МГц, а для сигнала модулированной поднесущей – от 3 до 6 МГц.

Рисунок 3.8, а дает лишь общую картину расположения уплотняемых сигналов в полосе пропускания канала связи, поэтому на рисунке 3.8, б приведена дополнительная информация о тонкой структуре уплотняемых спектров. Изучение рисунка позволяет сделать ряд выводов:

· гармоники спектра модулированной поднесущей занимают положение в середине свободных от сигнала промежутков между гармониками строчной частоты спектра яркостного сигнала;

· это является следствием выбора частоты поднесущей в соответствии с выражением (3.1);

· поскольку гармоники спектра сигналов яркости и цветности не накладываются друг на друга, а сдвинуты по частоте на величину f _c/ 2, уплотненные сигналы после передачи по каналу связи могут быть разделены с высокой точностью при помощи так называемых гребенчатых фильтров;

· так как спектр сигнала цветности расположен в высокочастотной области, где амплитуда гармоник спектра яркостного сигнала достаточно мала, выделить сигнал цветности из уплотненного сигнала можно простым полосовым фильтром с полосой пропускания от 3 до 6 МГц.

Существует еще один вопрос, нуждающийся в обсуждении – проблема заметности модулированной поднесущей на экране телевизора, от чего зависит прямая совместимость системы цветного телевидения. В приведенном примере (рисунок 3.8, б, выражение (3.1)) задача решается путем полустрочного сдвига (офсета) частоты поднесущей по отношению к гармоникам спектра яркостного сигнала. При этом в интервале строки укладывается нечетное число полуволн поднесущей, а так как в кадре содержится нечетное число строк, то фазы поднесущих в соседних кадрах будут противоположны. А это приводит к тому, что яркостный рисунок, создаваемый на ТВ экране поднесущей в текущем кадре, подавляет рисунок, созданный ею в предыдущем кадре; в результате заметность поднесущей уменьшается на порядок, то есть соответствует заметности поднесущей, кратной частоте строк, но имеющей на порядок меньшую амплитуду.

Рассмотренный способ подавления заметности поднесущей (и гармоник модулированной поднесущей) использован в системе NTSC. В системах PAL и SECAM использованы правила выбора поднесущей, отличные от условия (3.1); при этом, однако, соблюдается общий принцип: гармоники спектра модулированной поднесущей должны занимать свободные участки (не обязательно в середине) между гармониками спектра яркостного сигнала, тогда они становятся малозаметными при наблюдении изображения, например, на экране черно-белого телевизора.