Le système de télévision de chaque pays spécifie un certain nombre de canaux de télévision dans les gammes de fréquences UHF ou VHF. Un canal se compose en fait de deux signaux : les informations de l’image sont transmises par modulation d’amplitude sur une fréquence, et le son est transmis par modulation de fréquence sur une fréquence décalée de manière fixe (généralement de 4,5 à 6 MHz) par rapport au signal d’image.
Les fréquences des canaux choisies représentent un compromis entre la possibilité de disposer d’une largeur de bande suffisante pour la vidéo (et donc d’une résolution d’image satisfaisante), et la possibilité d’entasser suffisamment de canaux dans la bande de fréquences disponible. Dans la pratique, une technique appelée bande latérale vestigiale est utilisée pour réduire l’espacement des canaux, qui correspondrait à près de deux fois la largeur de bande vidéo si l’on utilisait la MA pure.
La réception du signal se fait invariablement via un récepteur superhétérodyne : le premier étage est un syntoniseur qui sélectionne une chaîne de télévision et la décale en fréquence sur une fréquence intermédiaire (FI) fixe. L’amplificateur de signal effectue l’amplification vers les étages FI de la gamme des microvolts à des fractions de volt.
Extraction du sonEdit
À ce stade, le signal FI est constitué d’un signal porteur vidéo à une fréquence et de la porteuse son à un décalage fixe. Un démodulateur récupère le signal vidéo. On trouve également à la sortie de ce même démodulateur une nouvelle porteuse son modulée en fréquence à la fréquence décalée. Sur certains postes fabriqués avant 1948, cette porteuse était filtrée et la fréquence intermédiaire du son d’environ 22 MHz était envoyée à un démodulateur FM pour récupérer le signal sonore de base. Sur les appareils plus récents, cette nouvelle porteuse à la fréquence de décalage était autorisée à rester en tant que son inter-porteuse et était envoyée à un démodulateur FM pour récupérer le signal sonore de base. Un avantage particulier du son inter-porteuse est que lorsque le bouton de réglage fin du panneau avant est ajusté, la fréquence de la porteuse sonore ne change pas avec le réglage, mais reste à la fréquence de décalage susmentionnée. Par conséquent, il est plus facile d’accorder l’image sans perdre le son.
La porteuse sonore FM est donc démodulée, amplifiée et utilisée pour alimenter un haut-parleur. Jusqu’à l’avènement des systèmes NICAM et MTS, les transmissions sonores télévisées étaient invariablement monophoniques.
Structure d’un signal vidéoEdit
La porteuse vidéo est démodulée pour donner un signal vidéo composite ; celui-ci contient des signaux de luminance, de chrominance et de synchronisation ; il est identique au format du signal vidéo utilisé par les appareils vidéo analogiques tels que les magnétoscopes ou les caméras de vidéosurveillance. Notez que la modulation du signal RF est inversée par rapport à l’AM classique : le niveau minimum du signal vidéo correspond à l’amplitude maximum de la porteuse, et vice versa. Pour garantir une bonne linéarité (fidélité), compatible avec les coûts de fabrication abordables des émetteurs et des récepteurs, la porteuse vidéo n’est jamais complètement coupée. Lorsque le son inter-porteuse a été inventé plus tard en 1948, le fait de ne pas éteindre complètement la porteuse a eu pour effet secondaire de permettre la mise en œuvre économique du son inter-porteuse.
Chaque ligne de l’image affichée est transmise à l’aide d’un signal tel qu’illustré ci-dessus. Le même format de base (avec des différences mineures principalement liées à la synchronisation et au codage de la couleur) est utilisé pour les systèmes de télévision PAL, NTSC et SECAM. Un signal monochrome est identique à un signal couleur, à l’exception des éléments représentés en couleur dans le schéma (la salve de couleur, et le signal de chrominance) qui ne sont pas présents.
Le porche avant est une brève période (environ 1,5 microseconde) insérée entre la fin de chaque ligne d’image transmise et le front avant de l’impulsion de synchronisation de la ligne suivante. Son but était de permettre aux niveaux de tension de se stabiliser dans les anciens téléviseurs, évitant ainsi les interférences entre les lignes d’image. Le porche avant est la première composante de l’intervalle de suppression horizontale qui contient également l’impulsion de synchronisation horizontale et le porche arrière.
Le porche arrière est la partie de chaque ligne de balayage entre la fin (front montant) de l’impulsion de synchronisation horizontale et le début de la vidéo active. Il est utilisé pour rétablir la référence du niveau de noir (300 mV) en vidéo analogique. En termes de traitement du signal, elle compense le temps de chute et le temps d’établissement qui suivent l’impulsion de synchronisation.
Dans les systèmes de télévision couleur tels que PAL et NTSC, cette période comprend également le signal d’éclatement de la couleur. Dans le système SECAM, elle contient la sous-porteuse de référence pour chaque signal de différence de couleur consécutif afin de définir la référence de couleur zéro.
Dans certains systèmes professionnels, en particulier les liaisons par satellite entre des emplacements, l’audio est intégré dans le porche arrière du signal vidéo, afin d’économiser le coût de location d’un deuxième canal.
Extraction du signal vidéo monochromeEdit
La composante de luminance d’un signal vidéo composite varie entre 0 V et environ 0,7 V au-dessus du niveau du « noir ». Dans le système NTSC, il existe un niveau de signal de suppression utilisé pendant le porche avant et le porche arrière, et un niveau de signal noir 75 mV au-dessus ; dans les systèmes PAL et SECAM, ces niveaux sont identiques.
Dans un récepteur monochrome, le signal de luminance est amplifié pour piloter la grille de commande du canon à électrons du tube cathodique. Cela modifie l’intensité du faisceau d’électrons et donc la luminosité du point balayé. Les commandes de luminosité et de contraste déterminent respectivement le décalage et l’amplification du courant continu.
Extraction du signal vidéo couleurEdit
Un signal couleur véhicule des informations d’image pour chacune des composantes rouge, verte et bleue d’une image (voir l’article sur l’espace couleur pour plus d’informations). Cependant, celles-ci ne sont pas simplement transmises sous la forme de trois signaux distincts, car : un tel signal ne serait pas compatible avec les récepteurs monochromes (une considération importante lorsque la radiodiffusion couleur a été introduite). Il occuperait également trois fois la bande passante de la télévision existante, ce qui nécessiterait une diminution du nombre de canaux de télévision disponibles. En outre, les problèmes typiques de la transmission du signal (comme les différences de niveaux de signal reçu entre les différentes couleurs) produiraient des effets secondaires désagréables.
Au lieu de cela, les signaux RVB sont convertis sous forme YUV, où le signal Y représente la clarté et l’obscurité (luminance) des couleurs de l’image. Comme le rendu des couleurs de cette manière est l’objectif des films en noir et blanc (monochrome) et des systèmes de télévision en noir et blanc (monochrome), le signal Y est idéal pour être transmis comme signal de luminance. Cela garantit qu’un récepteur monochrome affichera une image correcte en noir et blanc, où une couleur donnée est reproduite par une nuance de gris qui reflète correctement le degré de clarté ou d’obscurité de la couleur originale.
Les signaux U et V sont des signaux de « différence de couleur ». Le signal U représente la différence entre le signal B et le signal Y, également appelé B moins Y (B-Y), et le signal V représente la différence entre le signal R et le signal Y, également appelé R moins Y (R-Y). Le signal U représente alors le degré de « bleu violacé » ou de sa couleur complémentaire « vert jaunâtre » de la couleur, et le signal V le degré de « rouge violacé » ou de sa couleur complémentaire « cyan verdâtre ». L’avantage de ce schéma est que les signaux U et V sont nuls lorsque l’image ne contient pas de couleur. L’œil humain étant plus sensible aux détails de la luminance qu’à ceux de la couleur, les signaux U et V peuvent être transmis de manière relativement avec perte (plus précisément : en limitant la bande passante) avec des résultats acceptables.
Dans le récepteur, un seul démodulateur peut extraire une combinaison additive de U plus V. Un exemple est le démodulateur X utilisé dans le système de démodulation X/Z. Dans ce même système, un second démodulateur, le démodulateur Z, extrait également une combinaison additive de U plus V, mais dans un rapport différent. Les signaux de différence de couleur X et Z sont ensuite matricés en trois signaux de différence de couleur, (R-Y), (B-Y) et (G-Y). Les combinaisons de généralement deux, mais parfois trois démodulateurs étaient :
- (I) / (Q), (tel qu’utilisé dans le RCA CTC-2 de 1954 et la série RCA « Colortrak » de 1985, et l’Arvin de 1954, et certains moniteurs couleur professionnels dans les années 1990),
- (R-Y) / (Q), tel qu’utilisé dans le récepteur couleur 21 pouces de RCA de 1955,
- (R-Y) / (B-Y), utilisé dans le premier récepteur couleur sur le marché (Westinghouse, pas RCA),
- (R-Y) / (G-Y), (comme utilisé dans le châssis RCA Victor CTC-4),
- (R-Y) / (B-Y) / (G-Y),
- (X) / (Z), comme utilisé dans de nombreux récepteurs de la fin des années 50 et tout au long des années 60.
En fin de compte, un autre matriçage des signaux de différence de couleur c à f ci-dessus a donné les trois signaux de différence de couleur, (R-Y), (B-Y), et (G-Y).
Les signaux R, G, B dans le récepteur nécessaires pour le dispositif d’affichage (CRT, affichage Plasma, ou affichage LCD) sont dérivés électroniquement par matriçage comme suit : R est la combinaison additive de (R-Y) avec Y, G est la combinaison additive de (G-Y) avec Y, et B est la combinaison additive de (B-Y) avec Y. Tout ceci est accompli électroniquement. On peut voir que dans le processus de combinaison, la partie à faible résolution des signaux Y s’annule, laissant les signaux R, G et B capables de rendre une image à faible résolution en couleur. Cependant, les parties à plus haute résolution des signaux Y ne s’annulent pas, et sont donc également présentes en R, G et B, produisant le détail de l’image à plus haute définition (plus haute résolution) en monochrome, bien qu’elle apparaisse à l’œil humain comme une image en couleur et à pleine résolution.
Dans les systèmes couleur NTSC et PAL, U et V sont transmis en utilisant la modulation d’amplitude en quadrature d’une sous-porteuse. Ce type de modulation applique deux signaux indépendants à une sous-porteuse, avec l’idée que les deux signaux seront récupérés indépendamment à l’extrémité de réception. Avant la transmission, la sous-porteuse elle-même est retirée de la partie active (visible) de la vidéo et déplacée, sous la forme d’une salve, vers la partie de suppression horizontale, qui n’est pas directement visible à l’écran. (Plus d’informations sur la rafale ci-dessous.)
Pour le système NTSC, la sous-porteuse est une onde sinusoïdale de 3,58 MHz. Pour le système PAL, il s’agit d’une onde sinusoïdale de 4,43 MHz. Après la modulation d’amplitude en quadrature de la sous-porteuse mentionnée ci-dessus, des bandes latérales de sous-porteuse sont produites, et la sous-porteuse elle-même est filtrée hors de la partie visible de la vidéo, car ce sont les bandes latérales de sous-porteuse qui portent toutes les informations U et V, et la sous-porteuse elle-même ne porte aucune information.
Les bandes latérales de sous-porteuse résultantes sont également connues sous le nom de « chroma » ou « chrominance ». Physiquement, ce signal de chrominance est une onde sinusoïdale de 3,58 MHz (NTSC) ou 4,43 MHz (PAL) qui, en réponse à la modification des valeurs U et V, change de phase par rapport à la sous-porteuse, et change également d’amplitude.
Il s’avère que l’amplitude de la chroma (lorsqu’elle est considérée avec le signal Y) représente la saturation approximative d’une couleur, et que la phase de la chroma par rapport à la sous-porteuse comme référence représente approximativement la teinte de la couleur. Pour des couleurs d’essai particulières trouvées dans la mire de couleurs d’essai, les amplitudes et les phases exactes sont parfois définies uniquement à des fins de test et de dépannage.
Bien qu’en réponse à la modification des valeurs U et V, l’onde sinusoïdale de la chroma change de phase par rapport à la sous-porteuse, il n’est pas correct de dire que la sous-porteuse est simplement « modulée en phase ». C’est parce qu’un seul signal de test U sinusoïdal avec MAQ ne produit qu’une paire de bandes latérales, alors qu’une véritable modulation de phase dans les mêmes conditions de test produirait plusieurs ensembles de bandes latérales occupant un spectre de fréquences plus important.
En NTSC, l’onde sinusoïdale de chrominance a la même fréquence moyenne que la fréquence de la sous-porteuse. Mais un instrument analyseur de spectre montre que, pour la chrominance transmise, la composante fréquentielle à la fréquence de la sous-porteuse est en fait d’énergie nulle, ce qui vérifie que la sous-porteuse a bien été supprimée avant la transmission.
Ces fréquences de bande latérale se trouvent dans la bande du signal de luminance, c’est pourquoi on les appelle bandes latérales « sous-porteuses » au lieu de simplement bandes latérales « porteuses ». Leurs fréquences exactes ont été choisies de telle sorte que (pour le NTSC), elles se situent à mi-chemin entre deux harmoniques de la fréquence de répétition des images, garantissant ainsi que la majorité de la puissance du signal de luminance ne chevauche pas la puissance du signal de chrominance.
Dans le système britannique PAL (D), la fréquence centrale réelle de chrominance, avec des bandes latérales inférieures et supérieures égales, est de 4,43361875 MHz, un multiple direct de la fréquence de balayage. Cette fréquence a été choisie pour minimiser le motif d’interférence de battement de chrominance qui serait visible dans les zones de forte saturation des couleurs dans l’image transmise.
À certains moments, le signal de chrominance représente uniquement le signal U, et 70 nanosecondes (NTSC) plus tard, le signal de chrominance représente uniquement le signal V. (C’est la nature du processus de modulation d’amplitude en quadrature qui a créé le signal de chrominance). Environ 70 nanosecondes plus tard encore, -U, et encore 70 nanosecondes, -V.
Pour extraire U, on utilise donc un démodulateur synchrone, qui utilise la sous-porteuse pour porter (échantillonner) brièvement la chrominance toutes les 280 nanosecondes, de sorte que la sortie n’est qu’un train d’impulsions discrètes, chacune ayant une amplitude identique à celle du signal U original au moment correspondant. En fait, ces impulsions sont des échantillons analogiques en temps discret du signal U. Les impulsions sont ensuite passées au filtre passe-bas. Les impulsions sont ensuite filtrées par un filtre passe-bas afin de récupérer le signal U analogique original en temps continu. Pour V, une sous-porteuse décalée de 90 degrés porte brièvement le signal chroma toutes les 280 nanosecondes, et le reste du processus est identique à celui utilisé pour le signal U.
La porte à tout autre moment que ceux mentionnés ci-dessus donnera un mélange additif de deux quelconques de U, V, -U ou -V. L’une de ces méthodes de gating « hors axe » (c’est-à-dire de l’axe U et V) est appelée démodulation I/Q. Un autre schéma » hors axe » beaucoup plus populaire était le système de démodulation X/Z. Un matriçage supplémentaire permettait de récupérer les signaux U et V d’origine. Ce schéma était en fait le schéma de démodulation le plus populaire tout au long des années 60.
Le processus ci-dessus utilise la sous-porteuse. Mais comme indiqué précédemment, elle a été supprimée avant la transmission, et seule la chroma est transmise. Par conséquent, le récepteur doit reconstituer la sous-porteuse. Pour cela, une courte rafale de la sous-porteuse, appelée rafale de couleur, est transmise pendant le porche arrière (période d’effacement de retraçage) de chaque ligne de balayage. Un oscillateur de sous-porteuse dans le récepteur se verrouille sur ce signal (voir boucle à verrouillage de phase) pour obtenir une référence de phase, ce qui fait que l’oscillateur produit la sous-porteuse reconstituée.
(Une deuxième utilisation de la rafale dans les modèles de récepteurs plus chers ou plus récents est une référence à un système AGC pour compenser les imperfections de gain de chrominance en réception.)
NTSC utilise ce procédé sans modification. Malheureusement, il en résulte souvent une mauvaise reproduction des couleurs en raison d’erreurs de phase dans le signal reçu, causées parfois par des trajets multiples, mais surtout par une mauvaise mise en œuvre au niveau du studio. Avec l’avènement des récepteurs à semi-conducteurs, de la télévision par câble et de l’équipement de studio numérique pour la conversion en un signal analogique hertzien, ces problèmes du NTSC ont été en grande partie résolus, laissant les erreurs d’opérateur au niveau du studio comme la seule faiblesse du système NTSC en matière de rendu des couleurs. Quoi qu’il en soit, le système PAL D (delay) corrige principalement ces types d’erreurs en inversant la phase du signal sur chaque ligne successive et en faisant la moyenne des résultats sur les paires de lignes. Ce processus est réalisé par l’utilisation d’une ligne à retard de durée 1H (où H = fréquence de balayage horizontal). (Un circuit typique utilisé avec ce dispositif convertit le signal couleur basse fréquence en ultrason et inversement). Les erreurs de déphasage entre les lignes successives sont donc annulées et l’amplitude du signal utile est augmentée lorsque les deux signaux en phase (coïncidents) sont recombinés.
Le NTSC est plus efficace en termes de spectre que le PAL, donnant plus de détails d’image pour une largeur de bande donnée. Cela s’explique par le fait que les filtres en peigne sophistiqués des récepteurs sont plus efficaces avec la cadence de phase des couleurs à 4 champs du NTSC par rapport à la cadence à 8 champs du PAL. Cependant, au final, la plus grande largeur de canal de la plupart des systèmes PAL en Europe donne toujours à leurs systèmes PAL l’avantage de transmettre plus de détails d’image.
Dans le système de télévision SECAM, U et V sont transmis sur des lignes alternées, en utilisant une simple modulation de fréquence de deux sous-porteuses de couleur différentes.
Dans certains écrans CRT couleur analogiques, à partir de 1956, le signal de contrôle de la luminosité (luminance) est envoyé aux connexions de la cathode des canons à électrons, et les signaux de différence de couleur (signaux de chrominance) sont envoyés aux connexions des grilles de contrôle. Cette technique simple de mélange matriciel des CRT a été remplacée dans les conceptions ultérieures de traitement du signal à l’état solide par la méthode de matriçage originale utilisée dans les récepteurs de télévision couleur de 1954 et 1955.