In het televisiesysteem van elk land wordt een aantal televisiekanalen binnen de UHF- of VHF-frequentiebereiken gespecificeerd. Een kanaal bestaat in feite uit twee signalen: de beeldinformatie wordt verzonden met behulp van amplitudemodulatie op één frequentie, en het geluid wordt verzonden met behulp van frequentiemodulatie op een frequentie met een vaste afwijking (meestal 4,5 tot 6 MHz) van het beeldsignaal.
De gekozen kanaalfrequenties vormen een compromis tussen het bieden van voldoende bandbreedte voor video (en dus een bevredigende beeldresolutie), en het bieden van voldoende kanalen om in de beschikbare frequentieband te worden ondergebracht. In de praktijk wordt een techniek gebruikt die “vestigial sideband” wordt genoemd om de kanaalafstand te verkleinen, die bijna tweemaal de videobandbreedte zou bedragen indien zuivere AM werd gebruikt.
De signaalontvangst geschiedt onveranderlijk via een superheterodyne-ontvanger: de eerste trap is een tuner die een televisiekanaal selecteert en de frequentie verschuift naar een vaste middenfrequentie (IF). De signaalversterker zorgt voor versterking van de IF-trappen van het microvoltgebied tot fracties van een volt.
Het geluid extraheren
Op dit punt bestaat het IF-signaal uit een videodraaggolfsignaal op één frequentie en de geluidsdrager op een vaste offset. Een demodulator wint het videosignaal terug. Aan de uitgang van dezelfde demodulator bevindt zich een nieuwe frequentiegemoduleerde geluidsdrager op de offset-frequentie. In sommige toestellen van vóór 1948 werd dit eruit gefilterd en werd de geluids-FI van ongeveer 22 MHz naar een FM-demodulator gestuurd om het basisgeluidssignaal terug te krijgen. In nieuwere toestellen mocht deze nieuwe draaggolf op de offset-frequentie blijven bestaan als intercarrier-geluid, en werd het naar een FM-demodulator gestuurd om het basisgeluidssignaal terug te krijgen. Een bijzonder voordeel van intercarrier-geluid is dat wanneer de knop voor de fijnafstemming op het frontpaneel wordt bijgesteld, de geluidsdragerfrequentie niet verandert met de afstemming, maar op de bovengenoemde offset-frequentie blijft. Daardoor is het gemakkelijker om het beeld af te stemmen zonder dat het geluid verloren gaat.
De FM-geluidsdrager wordt vervolgens gedemoduleerd, versterkt en gebruikt om een luidspreker aan te sturen. Tot de komst van de NICAM- en MTS-systemen waren televisie-geluidsuitzendingen steevast monofoon.
Structuur van een videosignaalEdit
De videodrager wordt gedemoduleerd om een composiet videosignaal te verkrijgen; dit bevat luminantie-, chrominantie- en synchronisatiesignalen; dit is identiek aan het videosignaalformaat dat wordt gebruikt door analoge videoapparatuur zoals videorecorders of CCTV-camera’s. Merk op dat de RF-signaalmodulatie omgekeerd is ten opzichte van de conventionele AM: het minimum videosignaalniveau komt overeen met de maximum draaggolfamplitude, en omgekeerd. Om een goede lineariteit (getrouwheid) te waarborgen, in overeenstemming met de betaalbare fabricagekosten van zenders en ontvangers, wordt de videodrager nooit helemaal uitgeschakeld. Toen later, in 1948, intercarrier-geluid werd uitgevonden, had het niet volledig uitschakelen van de draaggolf als neveneffect dat intercarrier-geluid op economische wijze kon worden toegepast.
Elke lijn van het weergegeven beeld wordt overgebracht met behulp van een signaal zoals hierboven is afgebeeld. Hetzelfde basisformaat (met kleine verschillen die hoofdzakelijk betrekking hebben op de timing en de codering van de kleur) wordt gebruikt voor PAL-, NTSC- en SECAM-televisiesystemen. Een monochroom signaal is identiek aan een kleurensignaal, met dien verstande dat de in het diagram in kleur getoonde elementen (de color burst, en het chrominantiesignaal) niet aanwezig zijn.
De front porch is een korte (ongeveer 1,5 microseconde) periode die wordt ingelast tussen het einde van elke doorgegeven beeldlijn en de voorrand van de volgende lijnsync puls. Het doel ervan was de spanningsniveaus in oudere televisietoestellen te stabiliseren om interferentie tussen beeldlijnen te voorkomen. De front porch is de eerste component van het horizontale blanking interval dat ook de horizontale sync puls en de back porch bevat.
De back porch is het gedeelte van elke scan lijn tussen het einde (opgaande flank) van de horizontale sync puls en het begin van actieve video. Het wordt gebruikt om het zwartniveau (300 mV) te herstellen in analoge video. In signaalverwerkingstermen compenseert het de valtijd en de bezinktijd na de sync-puls.
In kleurentelevisiesystemen zoals PAL en NTSC omvat deze periode ook het colorburst-signaal. In het SECAM-systeem bevat het de referentie-subdrager voor elk opeenvolgend kleurverschilsignaal om de nul-kleurreferentie in te stellen.
In sommige professionele systemen, met name satellietverbindingen tussen locaties, is de audio ingebed in het achterportaal van het videosignaal, om de kosten van het huren van een tweede kanaal te besparen.
Extractie van monochrome videosignalen
De luminantiecomponent van een composiet videosignaal varieert tussen 0 V en ongeveer 0,7 V boven het “zwart”-niveau. In het NTSC-systeem is er een blanking-signaalniveau tijdens het voorportaal en het achterportaal, en een zwart-signaalniveau 75 mV daarboven; in PAL en SECAM zijn deze identiek.
In een monochrome ontvanger wordt het luminantiesignaal versterkt om het stuurrooster in het elektronenkanon van de CRT aan te drijven. Hierdoor verandert de intensiteit van de elektronenbundel en daarmee de helderheid van het gescande beeld. De helderheids- en contrastregeling bepaalt respectievelijk de DC-verschuiving en de versterking.
Extractie van kleurenvideosignaalEdit
Een kleursignaal brengt beeldinformatie over voor elk van de rode, groene en blauwe componenten van een beeld (zie het artikel over kleurruimte voor meer informatie). Deze worden echter niet gewoon als drie afzonderlijke signalen uitgezonden, omdat: een dergelijk signaal niet compatibel zou zijn met monochrome ontvangers (een belangrijke overweging toen kleurenuitzendingen voor het eerst werden geïntroduceerd). Het zou ook drie keer de bandbreedte van de bestaande televisie in beslag nemen, waardoor het aantal beschikbare televisiekanalen zou moeten worden verminderd. Bovendien zouden typische problemen met de signaaloverdracht (zoals verschillende niveaus van het ontvangen signaal tussen verschillende kleuren) onaangename neveneffecten veroorzaken.
In plaats daarvan worden de RGB-signalen omgezet in YUV-vorm, waarbij het Y-signaal de lichtheid en donkerheid (luminantie) van de kleuren in het beeld weergeeft. Omdat de weergave van kleuren op deze wijze het doel is van zowel zwart/wit-film (monochroom) als zwart/wit-televisiesystemen (monochroom), is het Y-signaal ideaal voor transmissie als het luminantiesignaal. Dit zorgt ervoor dat een monochrome ontvanger een correct beeld in zwart-wit weergeeft, waarbij een bepaalde kleur wordt weergegeven door een grijstint die correct weergeeft hoe licht of donker de oorspronkelijke kleur is.
De U- en V-signalen zijn “kleurverschil”-signalen. Het U-signaal is het verschil tussen het B-signaal en het Y-signaal, ook bekend als B minus Y (B-Y), en het V-signaal is het verschil tussen het R-signaal en het Y-signaal, ook bekend als R minus Y (R-Y). Het U-signaal geeft dan aan hoe “paarsblauw” of de complementaire kleur “geelgroen” de kleur is, en het V-signaal hoe “paarsrood” of de complementaire kleur “groencyaan” de kleur is. Het voordeel van dit schema is dat de U- en V-signalen nul zijn wanneer het beeld geen kleur heeft. Aangezien het menselijk oog gevoeliger is voor details in luminantie dan in kleur, kunnen de U- en V-signalen op een relatief verliesgevende (d.w.z.: bandbreedte-beperkte) manier worden doorgegeven met aanvaardbare resultaten.
In de ontvanger kan een enkele demodulator een additieve combinatie van U plus V extraheren. Een voorbeeld is de X-demodulator die wordt gebruikt in het X/Z-demodulatiesysteem. In datzelfde systeem extraheert een tweede demodulator, de Z-demodulator, ook een additieve combinatie van U plus V, maar in een andere verhouding. De X- en Z-kleurverschilsignalen worden verder gematrixeerd tot drie kleurverschilsignalen, (R-Y), (B-Y), en (G-Y). De combinaties van meestal twee, maar soms drie demodulatoren waren:
- (I) / (Q), (zoals gebruikt in de 1954 RCA CTC-2 en de 1985 RCA “Colortrak” serie, en de 1954 Arvin, en sommige professionele kleurenmonitoren in de jaren 1990),
- (R-Y) / (Q), zoals gebruikt in de 1955 RCA 21-inch kleurenontvanger,
- (R-Y) / (B-Y), zoals gebruikt in de eerste kleurenontvanger op de markt (Westinghouse, niet RCA),
- (R-Y) / (G-Y), (zoals gebruikt in het RCA Victor CTC-4 chassis),
- (R-Y) / (B-Y) / (G-Y),
- (X) / (Z), zoals gebruikt in veel ontvangers aan het eind van de jaren ’50 en in de jaren ’60.
Eindelijk leverde verdere matrixering van de bovengenoemde kleurverschilsignalen c tot en met f de drie kleurverschilsignalen op, namelijk (R-Y), (B-Y) en (G-Y).
De R-, G- en B-signalen in de ontvanger die nodig zijn voor het beeldscherm (CRT, plasmascherm of LCD-scherm) worden elektronisch afgeleid door matrixering als volgt: R is de additieve combinatie van (R-Y) met Y, G is de additieve combinatie van (G-Y) met Y, en B is de additieve combinatie van (B-Y) met Y. Dit alles wordt elektronisch tot stand gebracht. Het is te zien dat in het combinatieproces het lage-resolutie-gedeelte van de Y-signalen wegvalt, zodat de R-, G- en B-signalen in staat blijven een lage-resolutiebeeld in volle kleur weer te geven. De hogeresolutiegedeelten van de Y-signalen vallen echter niet weg, en zijn dus in gelijke mate aanwezig in R, G en B, waardoor het beelddetail met een hogere definitie (hogere resolutie) in monochroom wordt weergegeven, hoewel het voor het menselijk oog lijkt op een beeld in volle kleur en met volledige resolutie.
In de NTSC- en PAL-kleurensystemen worden U en V doorgegeven met behulp van kwadratuur-amplitudemodulatie van een subcarrier. Bij deze vorm van modulatie worden twee onafhankelijke signalen op één subcarrier toegepast, met het idee dat beide signalen aan de ontvangende zijde onafhankelijk van elkaar worden teruggewonnen. Vóór de transmissie wordt de subdraaggolf zelf verwijderd uit het actieve (zichtbare) gedeelte van de video, en in de vorm van een burst verplaatst naar het horizontale blanking-gedeelte, dat niet rechtstreeks zichtbaar is op het scherm. (Meer over de burst hieronder.)
Voor NTSC is de subcarrier een sinusgolf van 3,58 MHz. Voor het PAL-systeem is het een sinus van 4,43 MHz. Na de bovengenoemde kwadratuur-amplitude-modulatie van de subcarrier worden subcarrierzijbanden geproduceerd, en de subcarrier zelf wordt uit het zichtbare deel van de video gefilterd, omdat het de subcarrierzijbanden zijn die alle U- en V-informatie dragen, en de subcarrier zelf geen informatie draagt.
De resulterende subcarrierzijbanden staan ook bekend als “chroma” of “chrominantie”. Fysiek is dit chrominantiesignaal een sinusgolf van 3,58 MHz (NTSC) of 4,43 MHz (PAL) die, als reactie op veranderende U- en V-waarden, van fase verandert ten opzichte van de subcarrier, en ook van amplitude verandert.
Het blijkt dat de chroma-amplitude (wanneer deze samen met het Y-signaal wordt beschouwd) bij benadering de verzadiging van een kleur weergeeft, en dat de chromafase ten opzichte van de subcarrier als referentie bij benadering de tint van de kleur weergeeft. Voor bepaalde testkleuren in het kleurenpatroon worden de exacte amplitudes en fasen soms alleen voor test- en probleemoplossingsdoeleinden bepaald.
Hoewel de chroma-sinusgolf als reactie op veranderende U- en V-waarden van fase verandert ten opzichte van de subcarrier, is het niet juist te zeggen dat de subcarrier eenvoudig “fase gemoduleerd” is. Dat komt omdat een enkel sinus U-testsignaal met QAM slechts één paar zijbanden produceert, terwijl echte fasemodulatie onder dezelfde testomstandigheden meerdere reeksen zijbanden zou produceren die een groter frequentiespectrum in beslag zouden nemen.
In NTSC heeft de chrominantie-sinusgolf dezelfde gemiddelde frequentie als de subcarrier-frequentie. Maar een spectrum analyzer toont aan dat, voor doorgegeven chrominantie, de frequentiecomponent op de subcarrier frequentie in feite nul energie is, hetgeen verifieert dat de subcarrier inderdaad werd verwijderd vóór transmissie.
Deze zijband frequenties liggen binnen de luminantie signaal band, dat is waarom zij “subcarrier” zijbanden worden genoemd in plaats van eenvoudig “carrier” zijbanden. De exacte frequenties zijn zo gekozen dat zij (voor NTSC) halverwege liggen tussen twee harmonischen van de beeldherhalingsfrequentie, zodat het grootste deel van het vermogen van het luminantiesignaal niet overlapt met het vermogen van het chrominantiesignaal.
In het Britse PAL (D) systeem is de eigenlijke chrominantiemiddenfrequentie, met gelijke onder- en bovenzijbanden, 4,43361875 MHz, een direct veelvoud van de scansnelheidsfrequentie. Deze frequentie is gekozen om het interferentiepatroon van de chrominantie-beat te minimaliseren, dat zichtbaar zou zijn in gebieden met een hoge kleurverzadiging in het uitgezonden beeld.
Op bepaalde tijden vertegenwoordigt het chrominantiesignaal alleen het U-signaal, en 70 nanoseconden (NTSC) later vertegenwoordigt het chrominantiesignaal alleen het V-signaal. (Dit is de aard van het kwadratuur-amplitude-modulatieproces dat het chrominantiesignaal creëert). Ongeveer 70 nanoseconden later nog, -U, en nog eens 70 nanoseconden later, -V.
Om U te extraheren wordt dus een synchrone demodulator gebruikt, die de subcarrier gebruikt om de chroma elke 280 nanoseconden kort te poorten (samplen), zodat de output slechts een reeks discrete pulsen is, elk met een amplitude die gelijk is aan die van het oorspronkelijke U-signaal op het overeenkomstige tijdstip. In feite zijn deze pulsen analoge discrete-tijdmonsters van het U-signaal. De pulsen worden vervolgens laagdoorlaat gefilterd, zodat het oorspronkelijke analoge U-signaal in continue tijd wordt teruggevonden. Voor V wordt het chroma-signaal om de 280 nanoseconden kortstondig door een 90 graden verschoven subcarrier gepoort, en de rest van het proces is identiek aan dat voor het U-signaal.
Gating op elk ander tijdstip dan de hierboven genoemde tijdstippen levert een additief mengsel op van twee van U, V, -U, of -V. Een van deze “off-axis” (d.w.z. van de U- en V-as) schakelmethoden wordt I/Q-demodulatie genoemd. Een andere veel populairdere “off-axis” methode was de X/Z-demodulatie. Door verdere matrixering werden de oorspronkelijke U- en V-signalen hersteld. Dit systeem was in feite het meest populaire demodulatiesysteem in de jaren ’60.
Het bovenstaande proces maakt gebruik van de subcarrier. Maar zoals eerder vermeld, is deze vóór de transmissie gewist, en wordt alleen de chroma doorgegeven. Daarom moet de ontvanger de subcarrier opnieuw samenstellen. Daartoe wordt een korte burst van de subdraaggolf, bekend als de color burst, uitgezonden tijdens de back porch (re-trace blanking period) van elke scanlijn. Een subcarrier-oscillator in de ontvanger wordt op dit signaal vergrendeld (zie fase-locked loop) om een fasereferentie te verkrijgen, waardoor de oscillator de gereconstrueerde subcarrier produceert.
(Een tweede gebruik van de burst in duurdere of nieuwere ontvangermodellen is een referentie naar een AGC-systeem om onvolkomenheden in de chromaversterking bij de ontvangst te compenseren.)
NTSC gebruikt dit proces ongewijzigd. Helaas resulteert dit vaak in een slechte kleurweergave als gevolg van fasefouten in het ontvangen signaal, soms veroorzaakt door multipath, maar meestal door een slechte implementatie aan de studiozijde. Met de komst van solid-state ontvangers, kabeltelevisie en digitale studio-apparatuur voor conversie naar een over-the-air analoog signaal, zijn deze NTSC-problemen grotendeels opgelost, zodat bedieningsfouten aan de studiokant de enige zwakke plek van het NTSC-systeem blijft wat betreft kleurweergave. In ieder geval corrigeert het PAL D (delay) systeem dit soort fouten meestal door de fase van het signaal op elke opeenvolgende lijn om te keren en het resultaat over lijnenparen te middelen. Dit proces wordt bereikt door het gebruik van een vertragingslijn met een duur van 1H (waarbij H = horizontale scanfrequentie). (Een typische schakeling die bij dit apparaat wordt gebruikt, zet het laagfrequente kleursignaal om in ultrageluid en weer terug). Faseverschuivingsfouten tussen opeenvolgende lijnen worden derhalve opgeheven en de gewenste signaalamplitude wordt vergroot wanneer de twee in-fase (samenvallende) signalen opnieuw worden gecombineerd.
NTSC is spectrumefficiënter dan PAL en geeft meer beelddetail voor een gegeven bandbreedte. Dit komt doordat geavanceerde kamfilters in ontvangers effectiever zijn met NTSC’s 4 veld kleurfase cadans in vergelijking met PAL’s 8 veld cadans. Maar uiteindelijk geeft de grotere kanaalbreedte van de meeste PAL-systemen in Europa hun PAL-systemen nog steeds het voordeel bij het uitzenden van meer beelddetails.
In het SECAM-televisiesysteem worden U en V uitgezonden op afwisselende lijnen, met gebruikmaking van eenvoudige frequentiemodulatie van twee verschillende kleursubdragers.
In sommige analoge kleuren-CRT-schermen wordt vanaf 1956 het helderheidsregelsignaal (luminantie) toegevoerd aan de kathodeaansluitingen van de elektronenkanonnen, en de kleurverschilsignalen (chrominantiesignalen) worden toegevoerd aan de aansluitingen van de stuurroosters. Deze eenvoudige CRT-matrixmengingstechniek werd in latere solid-state ontwerpen van signaalverwerking vervangen door de oorspronkelijke matrixmethode die werd gebruikt in de kleurentelevisieontvangers van 1954 en 1955.