Система цветного телевидения NTSC

Система NTSC была разработана в США и принята в качестве стандартной системы цветного телевидения практически во всех странах Северной, Южной и Центральной Америки, а также в ряде стран Азии (Япония, Южная Корея и др.).

В качестве сигналов для передачи цветовой информации в системе NTSC приняты цветоразностные сигналы. Передача этих сигналов осуществляется в спектре сигнала яркости на одной цветовой поднесущей. Для того чтобы иметь возможность передавать два видеосигнала цветности с помощью одной поднесущей частоты, применён метод квадратурной амплитудной модуляции. Сущность этого метода состоит в следующем.

Основным элементом схемы квадратурной модуляции является балансный модулятор. Балансный модулятор выполняет две функции:

1. Модуляция поднесущей для получения боковых полос;

2. Подавление этой поднесущей для того, чтобы на выходе модулятора присутствовали только сигналы боковых полос.

Модулирующие сигналы Е_{R – Y} и Е_{B – Y} подаются на два балансных модулятора (рис.4.1).

Рис.4.1. Принцип квадратурной модуляции сигнала

ГП – генератор поднесущей; БМ1, БМ2 – балансные модуляторы;

ФИ – фазоинвертор; СМ1, СМ2 – смесители.

Модулируемые колебания имеют одну и ту же поднесущую частоту f₀, однако сдвинуты относительно друг друга на угол 90°. На выходе балансных модуляторов получаются два сигнала: Е_{R – Y} ·Cos ω ₀t и Е_{B – Y} · Sinω ₀t, находящиеся в квадратуре. Эти сигналы являются сигналами цветности.

При сложении этих сигналов образуется результирующий сигнал Е_Р, модулированный по амплитуде и фазе (рис.4.2).

………….. (4.1)

Модуль результирующего вектора равен

…………….. (4.2)

Разделив обе части (4.1) на (4.2) после несложных преобразований, получим:

,

где …………… (4.3)

Модуль вектора характеризует насыщенность цвета передаваемого элемента, а угол – его цветовой тон (рис.4.2)

Рис.4.2. Векторная диаграмма квадратурной модуляции

Таким образом, в зависимости от окраски передаваемого в данный момент участка изображения ЦРС меняются по амплитуде, но остаются сдвинутыми по фазе на 90° относительно друг друга. Соответственно их суммарный вектор Е_Р меняется в пределах угла θ = 0° ÷ 360°.

Поскольку при модуляции значения векторов Е_{R – Y} и Е_{B – Y} изменяются и при этом изменяется амплитуда и фаза результирующего колебания Е_Р и θ, можно сказать, что квадратурная модуляция является амплитудно-фазовой модуляцией. Балансная модуляция имеет преимущества перед другими видами модуляции, заключающиеся в том, что в значительной степени уменьшаются помехи в канале яркости со стороны колебаний поднесущей частоты.

При балансном методе модуляции поднесущей цветоразностными сигналами хорошая совместимость достигается, потому что на неокрашенных деталях изображения нет помех со стороны сигналов цветности, поскольку ЦРС, как это было показано ранее, равны нулю и напряжение поднесущей также равно нулю, так как она подавлена.

В системе NTSC отводится сравнительно небольшая полоса частот для передачи изображения (по стандарту 4, 2 МГц). В связи с этим ограничивается и ширина спектров сигналов цветности, которые так же, как и в системе

SECAM, «вкладываются» в спектр сигнала яркости. Уменьшение ширины спектра сигналов цветности приводит к ухудшению цветовой чёткости изображения. Улучшить цветовую чёткость изображения при ограниченной ширине спектров сигналов цветности можно путём использования АМ-сигналов с одной боковой полосой (ОБП).

При использовании сигналов с амплитудной модуляцией информацию можно передать с помощью одной боковой полосы спектра сигнала. Применение сигналов с ОБП позволяет вдвое сократить полосу частот, занимаемую сигналом, либо при фиксированной ширине частотного интервала, отводимого для передачи информации, увеличить вдвое ширину спектра модулирующего сигнала.

На практике обычно вторая боковая полоса подавляется лишь частично: от неё остаётся часть спектральных составляющих, примыкающих к частоте поднесущей. Такие сигналы называются сигналами с частично подавленной боковой полосой.

Однако использование сигналов с ОБП в системах с квадратурной модуляцией (КМ) наталкивается на серьёзные трудности. Это объясняется высокой чувствительностью таких систем к фазовым искажениям сигналов. Фазовые искажения приводят к появлению помех при приёме сигналов с КМ и искажению передаваемой информации.

Под фазовыми искажениями понимается изменение начальной фазы сигнала. Такие искажения могут возникнуть при прохождении сигнала через радиотехнические цепи (контура, фильтры, и т.п.), при воздействии внешних помех в виде электрических колебаний и других причин. Это приводит к появлению помех и нарушению цветопередачи изображения.

Цветоразностные сигналы в системе NTSC.

Использование ЦРС Е_{R – Y} и Е_{B – Y} в системе NTSC оказывается малоэффективным. При разработке системы NTSC опытным путём были найдены цвета, при которых глаз человека обнаруживает наибольшую разрешающую способность. Эти цвета передаются сигналами Е_I и Е_Q, которые связаны с ЦРС Е_{R – Y} и Е_{B – Y} следующими соотношениями:

Е_I = 0, 47Е_{R – Y} – 0, 27Е_{B – Y}

Е_Q = 0, 48Е_{R – Y} – 0, 41Е_{B – Y}

Использование балансной модуляции приводит к необходимости применять в телевизоре синхронное детектирование для разделения квадратурных сигналов. Это усложняет схему, но повышает помехоустойчивость совместимой системы.

Для синхронного детектирования, помимо квадратурных сигналов, на детектор необходимо подавать колебания цветовой поднесущей. В передаваемом сигнале изображения поднесущая полностью подавлена. Поэтому в каждой строке ТВ-сигнала во время обратного хода передаётся так называемая «вспышка», представляющая собой 8…10 колебаний цветовой поднесущей. «Вспышка» является сигналом цветовой синхронизации. Форма этого сигнала показана на рис.4.3.

Рис.4.3. Форма строчного синхроимпульса с цветовой вспышкой

Чтобы избежать искажений цветовых тонов принимаемого изображения, не только частота, но и фаза колебаний вспышки должна быть точно (до ± 5°) равна фазе поднесущей в кодирующем устройстве. Это необходимо потому, что синхронное детектирование работает на принципе сравнения фазы опорного напряжения (поднесущей частоты) с фазой детектируемого (квадратурного) сигнала.

Принцип разделения сигналов, переданных методом квадратурной модуляции, основан на перемножении сигнала цветности Е_Р, содержащего обе квадратурные составляющие, и напряжения опорной (поднесущей) частоты, совпадающей по фазе с какой-либо квадратурной составляющей. Такое перемножение осуществляется в синхронном детекторе, структурная схема которого показана на рис.4.4.

Рис.4.4. Структурная схема синхронного детектора

РФ – режекторный фильтр; СД1, СД2 – синхронные детекторы;

Г – генератор поднесущей; ФИ – фазоинвертор.

На выходе синхронных детекторов получаются ЦРС Е_{R – Y} и Е_{B – Y}. Третий ЦРС Е_{G – Y} получается в декодирующей матрице приёмника из яркостного Е_Y и двух ЦРС Е_{R – Y} и Е_{B – Y}.

Система NTSC очень чувствительна к фазовым искажениям, которые приводят к искажениям передаваемого цвета. Высокая точность, с которой необходимо выдерживать все фазовые соотношения в полном цветовом сигнале, приводит к необходимости предъявлять очень жёсткие требования к характеристикам всех звеньев ТВ-системы и линии связи. Это послужило причиной отказа ряда стран от применения системы NTSC.

Достоинства системы NTSC:

· Одновременная передача двух сигналов цветности;

· Высокая помехоустойчивость к шумовым помехам благодаря использованию синхронных детекторов;

· Меньшая, чем в системе SECAM, полоса частот, занимаемая сигналом изображения;

· Сигналы цветности не создают помех при передаче чёрно-белого изображения (эти сигналы отсутствуют при передаче чёрно-белого изображения);

Недостатки системы NTSC:

· Система очень чувствительна к фазовым искажениям сигналов цветности;

· Меньшая чёткость изображения, чем в системе SECAM (более узкая ширина спектра сигнала яркости).