Az egyes országok televíziós rendszerei meghatározzák az UHF vagy VHF frekvenciatartományokon belüli televíziós csatornák számát. Egy csatorna valójában két jelből áll: a képinformációt amplitúdómodulációval továbbítják egy frekvencián, a hangot pedig frekvenciamodulációval egy, a képjelhez képest meghatározott (általában 4,5-6 MHz) eltolású frekvencián.
A választott csatornafrekvenciák kompromisszumot jelentenek aközött, hogy elegendő sávszélességet biztosítanak a videóhoz (és így kielégítő képfelbontást), és elegendő csatorna fér el a rendelkezésre álló frekvenciasávban. A gyakorlatban az úgynevezett csökevényes oldalsávú technikát alkalmazzák a csatornatávolság csökkentésére, amely tiszta AM használata esetén közel kétszerese lenne a videó sávszélességének.
A jel vétele kivétel nélkül szuperheterodin vevőkészüléken keresztül történik: az első fokozat egy tuner, amely kiválaszt egy televíziós csatornát, és frekvenciatolást végez egy rögzített közbenső frekvenciára (IF). A jelerősítő végzi az IF fokozatokhoz az erősítést a mikrovoltos tartománytól a volt töredékéig.
A hang kivonása
Az IF jel ekkor az egyik frekvencián lévő videó vivőjelből és a fix eltolású hang vivőjelből áll. Egy demodulátor visszanyeri a videojelet. Ugyanennek a demodulátornak a kimenetén szintén egy új frekvenciamodulált hanghordozó jelenik meg az eltolt frekvencián. Néhány 1948 előtt készült készülékben ezt kiszűrték, és a kb. 22 MHz-es hang-IF-t egy FM demodulátorba küldték az alaphangjel visszanyerése érdekében. Az újabb készülékekben ez az új vivő az eltolási frekvencián megmaradt hordozóközi hangként, és egy FM-demodulátorba küldték az alaphangjel visszanyeréséhez. A vivőhang külön előnye, hogy az előlapi finomhangoló gomb beállításakor a hanghordozó frekvenciája nem változik a hangolással, hanem a fent említett offset frekvencián marad. Következésképpen könnyebb a képet hangolni anélkül, hogy a hang elveszne.
Az FM-hanghordozót ezután demodulálják, erősítik, és egy hangszóró meghajtására használják. A NICAM és az MTS rendszerek megjelenéséig a televíziós hangátvitel változatlanul monofonikus volt.
A videojel felépítéseSzerkesztés
A videó vivőjelet demodulálják, hogy kompozit videojelet kapjanak; ez tartalmazza a fénysűrűséget, a krominanciát és a szinkronizációs jeleket; ez megegyezik az analóg videoeszközök, például a videomagnók vagy a CCTV kamerák által használt videojel formátummal. Vegye figyelembe, hogy az RF jelmoduláció a hagyományos AM-hez képest fordított: a minimális videojelszint megfelel a maximális vivő amplitúdónak, és fordítva. A jó linearitás (hűség) biztosítása érdekében, amely összhangban van az adók és vevőkészülékek megfizethető gyártási költségeivel, a videó vivőjelet soha nem kapcsolják le teljesen. Amikor később, 1948-ban feltalálták a vivőhangot, a vivőhang nem teljes kikapcsolása azzal a mellékhatással járt, hogy lehetővé tette a vivőhang gazdaságos megvalósítását.
A megjelenített kép minden egyes sorát a fent látható jel segítségével továbbítják. A PAL, az NTSC és a SECAM televíziós rendszerek ugyanazt az alapformátumot használják (kisebb eltérésekkel, amelyek főként az időzítéssel és a színkódolással kapcsolatosak). A monokróm jel megegyezik a színes jellel, azzal a különbséggel, hogy az ábrán színesben látható elemek (a színes burst és a krominance jel) nincsenek jelen.
A front tornác egy rövid (kb. 1,5 mikroszekundumos) időszak, amely minden átvitt képsor vége és a következő sor szinkronimpulzus előoldala között helyezkedik el. Célja az volt, hogy a régebbi televíziókban lehetővé tegye a feszültségszintek stabilizálódását, megakadályozva a képsorok közötti interferenciát. A front porch a vízszintes szinkronizációs impulzust és a back porchot is tartalmazó vízszintes szinkronizációs intervallum első összetevője.
A back porch az egyes letapogatási soroknak a vízszintes szinkronizációs impulzus vége (emelkedő éle) és az aktív kép kezdete közötti része. Az analóg videóban a fekete szint (300 mV) referencia visszaállítására szolgál. Jelfeldolgozási szempontból ez kompenzálja a szinkronimpulzust követő esési időt és ülepedési időt.
A színes televíziós rendszerekben, mint például a PAL és az NTSC, ez az időszak magában foglalja a colorburst jelet is. A SECAM rendszerben tartalmazza az egyes egymást követő színkülönbségjelek referencia segédhordozóját, hogy beállítsák a nulla színreferenciát.
Egyes professzionális rendszerekben, különösen a helyszínek közötti műholdas kapcsolatokban a hangot a videojel hátsó tornácába ágyazzák be, hogy megtakarítsák a második csatorna bérlésének költségeit.
Monokróm videojel kivonásaSzerkesztés
A kompozit videojel fénysűrűségi komponense 0 V és körülbelül 0,7 V között változik a “fekete” szint felett. Az NTSC rendszerben van egy elülső és egy hátsó tornác alatt használt ürítési jelszint, és egy 75 mV-tal felette lévő fekete jelszint; a PAL és a SECAM rendszerben ezek azonosak.
A monokróm vevőkészülékben a fénysűrűségjelet felerősítik, hogy a CRT elektronágyújában lévő vezérlőrácsot meghajtják. Ez megváltoztatja az elektronsugár intenzitását és ezáltal a letapogatott folt fényerejét. A fényerő- és kontrasztvezérlők határozzák meg az egyenáramú eltolást, illetve az erősítést.
Színes videojel kivonásaSzerkesztés
A színjel a kép minden egyes vörös, zöld és kék komponensének képinformációját közvetíti (további információkért lásd a színtérről szóló cikket). Ezeket azonban nem egyszerűen három külön jelként továbbítják, mert: egy ilyen jel nem lenne kompatibilis a monokróm vevőkészülékekkel (ez fontos szempont volt a színes műsorszórás bevezetésekor). Emellett a meglévő televízió sávszélességének háromszorosát foglalná el, ami a rendelkezésre álló televíziós csatornák számának csökkentését igényelné. Ezenkívül a jelátvitel tipikus problémái (például a különböző színek között eltérő vételi jelszintek) kellemetlen mellékhatásokat okoznának.
Ehelyett az RGB-jeleket YUV-formába alakítják át, ahol az Y jel a kép színeinek világosságát és sötétségét (fénysűrűségét) jelöli. Mivel a színek ilyen módon történő megjelenítése a célja mind a fekete-fehér (monokróm) filmeknek, mind a fekete-fehér (monokróm) televíziós rendszereknek, az Y jel ideális a fénysűrűségjelként történő továbbításra. Ez biztosítja, hogy egy monokróm vevőkészülék megfelelő képet jelenítsen meg fekete-fehérben, ahol egy adott színt olyan szürkeárnyalattal ad vissza, amely helyesen tükrözi, hogy az eredeti szín mennyire világos vagy sötét.
Az U és V jelek “színkülönbség” jelek. Az U jel a B jel és az Y jel közötti különbség, más néven B mínusz Y (B-Y), a V jel pedig az R jel és az Y jel közötti különbség, más néven R mínusz Y (R-Y). Az U jel tehát azt mutatja, hogy a szín mennyire “liláskék” vagy annak komplementer színe “sárgás-zöld”, a V jel pedig azt, hogy mennyire “lilásvörös” vagy annak komplementer színe “zöldes-vöröses”. Ennek a sémának az az előnye, hogy az U és V jelek nulla, ha a képnek nincs színtartalma. Mivel az emberi szem érzékenyebb a részletekre a fénysűrűségben, mint a színekben, az U és V jelek viszonylag veszteséges (pontosabban: sávszélesség-korlátozott) módon továbbíthatók elfogadható eredménnyel.
A vevőben egyetlen demodulátor képes kivenni az U és V jelek additív kombinációját. Erre példa az X/Z demodulációs rendszerben használt X demodulátor. Ugyanebben a rendszerben egy második demodulátor, a Z demodulátor szintén kivonja az U plusz V additív kombinációját, de más arányban. Az X és Z színkülönbségjeleket tovább mátrixolják három színkülönbségjelre, (R-Y), (B-Y) és (G-Y). Az általában két, de néha három demodulátor kombinációi voltak:
- (I) / (Q), (ahogyan az 1954-es RCA CTC-2 és az 1985-ös RCA “Colortrak” sorozatban, valamint az 1954-es Arvinban és néhány professzionális színes monitorban használták az 1990-es években),
- (R-Y) / (Q), ahogyan az 1955-ös RCA 21 colos színes vevőegységben használták,
- (R-Y) / (B-Y), amelyet az első színes vevőegységben használtak a piacon (Westinghouse, nem RCA),
- (R-Y) / (G-Y), (ahogy az RCA Victor CTC-4 vázában használták),
- (R-Y) / (B-Y) / (G-Y),
- (X) / (Z), ahogy az 50-es évek végén és a 60-as években számos vevőegységben használták.
A fenti c-től f-ig terjedő színkülönbségjelek további mátrixolásával végül a három színkülönbségjelet, (R-Y), (B-Y) és (G-Y) kaptuk.
A megjelenítő eszközhöz (CRT, plazmakijelző vagy LCD kijelző) szükséges R, G, B jeleket a vevőben elektronikusan a következő mátrixolással vezetjük le: R az (R-Y) és Y additív kombinációja, G a (G-Y) és Y additív kombinációja, B pedig a (B-Y) és Y additív kombinációja. Látható, hogy a kombinációs folyamat során az Y jelek alacsony felbontású része megszűnik, így az R, G és B jelek képesek egy alacsony felbontású kép teljes színű megjelenítésére. Az Y jelek nagyobb felbontású részei azonban nem szűnnek meg, és így az R, G és B jelek egyformán jelen vannak, így a nagyobb felbontású (nagyobb felbontású) kép részleteit monokrómban állítják elő, bár az emberi szem számára teljes színű és teljes felbontású képnek tűnik.
Az NTSC és PAL színes rendszerekben az U és V jeleket egy segédhordozó kvadratúra amplitúdó modulációjával továbbítják. Ez a fajta moduláció két független jelet alkalmaz egy segédhordozóra, azzal az elképzeléssel, hogy a két jel a vevő végén egymástól függetlenül nyerhető vissza. Az átvitel előtt magát a segédhordozót eltávolítják a videó aktív (látható) részéből, és burst formájában áthelyezik a vízszintes kitakarási részbe, amely nem látható közvetlenül a képernyőn. (A burstről bővebben alább.)
NTSC esetén a segédhordozó egy 3,58 MHz-es szinuszhullám. A PAL rendszer esetében ez egy 4,43 MHz-es szinuszhullám. A segédhordozó fent említett kvadratúra amplitúdó modulációja után segédhordozó oldalsávok keletkeznek, és maga a segédhordozó kiszűrődik a videó látható részéből, mivel a segédhordozó oldalsávjai hordozzák az összes U és V információt, és maga a segédhordozó nem hordoz információt.
A keletkező segédhordozó oldalsávokat “chroma” vagy “chrominance” néven is ismerik. Fizikailag ez a krominanciajel egy 3,58 MHz-es (NTSC) vagy 4,43 MHz-es (PAL) szinuszhullám, amely az U és V értékek változására reagálva változtatja a fázist a segédhordozóhoz képest, és az amplitúdó is változik.
Mint kiderült, a kroma amplitúdója (az Y jellel együtt vizsgálva) egy szín hozzávetőleges telítettségét, a kroma fázisa pedig a segédhordozóhoz mint referenciához képest megközelítőleg a színárnyalatot jelenti. A teszt színsávmintában található egyes tesztszínek esetében a pontos amplitúdókat és fázisokat néha csak tesztelési és hibaelhárítási céllal határozzák meg.
Noha az U és V értékek változására válaszul a chroma szinuszhullám fázist változtat az altartóhoz képest, nem helyes azt mondani, hogy az altartó egyszerűen “fázismodulált”. Ez azért van így, mert egyetlen szinuszos U tesztjel QAM-mel csak egy pár oldalsávot eredményez, míg a valódi fázismoduláció ugyanolyan tesztkörülmények között több, több frekvenciaspektrumot elfoglaló oldalsávot eredményezne.
Az NTSC-ben a kromoszinusz szinuszhullámnak ugyanaz az átlagos frekvenciája, mint a segédhordozó frekvenciája. Egy spektrumanalizátoros műszer azonban kimutatja, hogy az átvitt krominancia esetében az altartozó frekvenciáján lévő frekvenciakomponens valójában nulla energiájú, ami igazolja, hogy az altartozót valóban eltávolították az átvitel előtt.
Ezek az oldalsávos frekvenciák a fénysűrűségjel sávján belül vannak, ezért nevezik őket “altartozó” oldalsávoknak az egyszerű “vivő” oldalsávok helyett. Pontos frekvenciájukat úgy választották ki, hogy (az NTSC esetében) a képkocka ismétlési frekvencia két felharmonikusa között középen legyenek, így biztosítva, hogy a fényességjel teljesítményének nagy része ne fedje át a krominanciajel teljesítményét.
A brit PAL (D) rendszerben a tényleges krominancia középfrekvencia, egyenlő alsó és felső oldalsávokkal, 4,43361875 MHz, ami a letapogatási frekvencia közvetlen többszöröse. Ezt a frekvenciát azért választották, hogy minimalizálják a krominance beat interferenciamintázatot, amely az átvitt kép nagy színtelítettségű területein látható lenne.
A krominance jel bizonyos időpontokban csak az U jelet, 70 nanoszekundummal később (NTSC) pedig csak a V jelet képviseli. (Ez a kvadratúra amplitúdómodulációs eljárás természete, amely a krominancia jelet létrehozta.) Körülbelül 70 nanoszekundummal később még mindig -U, és további 70 nanoszekundummal később -V.
Az U kivonásához tehát egy szinkron demodulátort használnak, amely a segédhordozót arra használja, hogy 280 nanoszekundumonként rövid időre átvegye (mintavételezze) a krominínuszjelet, így a kimenet csak diszkrét impulzusok sora, amelyek mindegyike olyan amplitúdóval rendelkezik, amely megegyezik az eredeti U jellel a megfelelő időpontban. Ezek az impulzusok tulajdonképpen az U jel diszkrét idejű analóg mintái. Az impulzusokat ezután aluláteresztő szűrésnek vetik alá, hogy az eredeti analóg, folytonos idejű U jelet visszanyerjék. V esetében egy 90 fokban eltolt segédhordozó 280 nanoszekundumonként rövid időre bekapcsolja a chroma jelet, és a folyamat többi része megegyezik az U jel esetében alkalmazottal.
A fent említett időpontoktól eltérő időpontokban történő bekapcsolás az U, V, -U vagy -V bármelyik két jelének additív keverékét eredményezi. Az egyik ilyen “tengelyen kívüli” (azaz az U és V tengelyen kívüli) kapuzási módszert I/Q demodulációnak nevezzük. Egy másik, sokkal népszerűbb “tengelyen kívüli” rendszer az X/Z demodulációs rendszer volt. A további mátrixolás visszanyerte az eredeti U és V jeleket. Ez a séma volt valójában a legnépszerűbb demodulációs séma a 60-as években.
A fenti eljárás a segédhordozót használja. De mint korábban említettük, azt az átvitel előtt törölték, és csak a chroma kerül továbbításra. Ezért a vevőnek újra kell állítania a segédhordozót. Ebből a célból az egyes pásztázó sorok visszahordozásának (újbóli ürítési periódusának) ideje alatt az altartó egy rövid, színburstnak nevezett kitörése kerül továbbításra. A vevőkészülékben egy segédhordozó-oszcillátor rácsatlakozik erre a jelre (lásd: fázishurok) a fázisreferencia elérése érdekében, aminek eredményeképpen az oszcillátor létrehozza az újraalkotott segédhordozót.
(A burst másik felhasználási módja a drágább vagy újabb vevőmodellekben egy AGC-rendszer referenciája a vétel során a kromaerősítés tökéletlenségeinek kompenzálására.)
Az NTSC változatlanul ezt az eljárást használja. Sajnos ez gyakran rossz színvisszaadást eredményez a fogadott jel fázishibái miatt, amelyeket néha a többutas útvonal, de leginkább a stúdió végén lévő rossz megvalósítás okoz. A szilárdtest-vevőkészülékek, a kábeltelevízió és a digitális stúdióberendezések megjelenésével, amelyek az analóg jelek átváltására szolgálnak, ezek az NTSC-problémák nagyrészt megoldódtak, így az NTSC-rendszer egyetlen színvisszaadási gyengesége a stúdió végén lévő kezelői hiba maradt. A PAL D (delay) rendszer mindenesetre többnyire úgy korrigálja az ilyen jellegű hibákat, hogy minden egyes sorban megfordítja a jel fázisát, és az eredményeket átlagolja a sorpárok között. Ezt a folyamatot egy 1H (ahol H = vízszintes pásztázási frekvencia) időtartamú késleltetési vonal használatával érik el. (Az ezzel az eszközzel használt tipikus áramkör az alacsony frekvenciájú színes jelet ultrahanggá alakítja és vissza). Az egymást követő sorok közötti fáziseltolódási hibák ezért kioltódnak, és a kívánt jel amplitúdója megnő, amikor a két fázisban lévő (egybeeső) jelet újra egyesítik.
Az NTSC spektrumhatékonyabb, mint a PAL, így adott sávszélesség mellett több képi részletet ad. Ez azért van így, mert a vevőkészülékekben lévő kifinomult fésűs szűrők hatékonyabbak az NTSC 4 mezős színfáziskadensével szemben a PAL 8 mezős kadensével szemben. Végül azonban a legtöbb európai PAL-rendszer nagyobb csatornaszélessége miatt a PAL-rendszerek még mindig előnyben vannak a több képrészlet átvitelében.
A SECAM televíziós rendszerben az U és V jeleket váltakozó vonalakon továbbítják, két különböző színű segédhordozó egyszerű frekvenciamodulációjával.
Az 1956-tól kezdődően egyes analóg színes CRT-kijelzőkben a fényerőszabályozó jelet (fénysűrűség) az elektronágyúk katódcsatlakozásaira, a színkülönbségjeleket (krominanciajeleket) pedig a vezérlőrácscsatlakozásokra vezetik. Ezt az egyszerű CRT-mátrixkeverési technikát a jelfeldolgozás későbbi szilárdtest-tervekben felváltotta az 1954-es és 1955-ös színes TV-vevőkészülékekben használt eredeti mátrixkeverési módszer.