System telewizyjny każdego kraju będzie określał liczbę kanałów telewizyjnych w zakresie częstotliwości UHF lub VHF. Kanał składa się w rzeczywistości z dwóch sygnałów: informacja o obrazie jest przesyłana za pomocą modulacji amplitudy na jednej częstotliwości, a dźwięk jest przesyłany za pomocą modulacji częstotliwości na częstotliwości o stałym przesunięciu (zwykle 4,5 do 6 MHz) w stosunku do sygnału obrazu.
Wybrane częstotliwości kanału stanowią kompromis między umożliwieniem wystarczającej szerokości pasma dla wideo (a zatem zadowalającej rozdzielczości obrazu), a umożliwieniem upakowania wystarczającej liczby kanałów w dostępnym paśmie częstotliwości. W praktyce technika zwana śladową wstęgą boczną jest używana do zmniejszenia odstępu między kanałami, który byłby prawie dwa razy większy niż szerokość pasma wideo, gdyby używano czystej AM.
Odbiór sygnału jest niezmiennie wykonywany przez odbiornik superheterodynowy: pierwszym etapem jest tuner, który wybiera kanał telewizyjny i przesuwa go na stałą częstotliwość pośrednią (IF). Wzmacniacz sygnału wykonuje wzmocnienie do stopni IF od zakresu mikrowoltów do ułamków wolta.
Wyodrębnianie dźwiękuEdit
W tym momencie sygnał IF składa się z sygnału nośnego wideo na jednej częstotliwości i sygnału nośnego dźwięku na stałym przesunięciu. Demodulator odzyskuje sygnał wizyjny. Również na wyjściu tego samego demodulatora znajduje się nowa, zmodulowana częstotliwościowo nośna dźwięku o częstotliwości przesunięcia. W niektórych zestawach wyprodukowanych przed 1948 rokiem była ona odfiltrowana, a fala IF dźwięku o częstotliwości około 22 MHz była przesyłana do demodulatora FM w celu odzyskania podstawowego sygnału dźwiękowego. W nowszych zestawach, ta nowa nośna na częstotliwości offsetu została dopuszczona do pozostania jako dźwięk międzynośny, i była wysyłana do demodulatora FM w celu odzyskania podstawowego sygnału dźwiękowego. Szczególną zaletą dźwięku międzynośnego jest to, że po przestawieniu pokrętła precyzyjnego strojenia na panelu przednim częstotliwość nośna dźwięku nie zmienia się wraz ze strojeniem, lecz pozostaje na wspomnianej wcześniej częstotliwości przesunięcia. W związku z tym łatwiej jest dostroić obraz bez utraty dźwięku.
Nośnik dźwięku FM jest następnie demodulowany, wzmacniany i używany do napędzania głośnika. Do czasu pojawienia się systemów NICAM i MTS telewizyjne transmisje dźwięku były niezmiennie monofoniczne.
Struktura sygnału wideoEdit
Nośnik sygnału wideo jest demodulowany w celu uzyskania kompozytowego sygnału wideo; zawiera on sygnały luminancji, chrominancji i synchronizacji; jest on identyczny z formatem sygnału wideo używanym przez analogowe urządzenia wideo, takie jak magnetowidy lub kamery CCTV. Należy zauważyć, że modulacja sygnału RF jest odwrócona w porównaniu do konwencjonalnej AM: minimalny poziom sygnału wideo odpowiada maksymalnej amplitudzie nośnej i na odwrót. Aby zapewnić dobrą liniowość (wierność), zgodną z przystępnymi kosztami produkcji nadajników i odbiorników, nośna wizji nigdy nie jest całkowicie wyłączana. Kiedy w 1948 roku wynaleziono dźwięk międzynośnikowy, brak całkowitego wyłączenia nośnej miał efekt uboczny w postaci umożliwienia ekonomicznego wdrożenia dźwięku międzynośnikowego.
Każda linia wyświetlanego obrazu jest przesyłana za pomocą sygnału, jak pokazano powyżej. Ten sam podstawowy format (z niewielkimi różnicami dotyczącymi głównie taktowania i kodowania koloru) jest używany w systemach telewizyjnych PAL, NTSC i SECAM. Sygnał monochromatyczny jest identyczny jak kolorowy, z tym wyjątkiem, że elementy pokazane w kolorze na schemacie (color burst, oraz sygnał chrominancji) nie występują.
Przedni porch to krótki (około 1,5 mikrosekundy) okres wstawiony pomiędzy koniec każdej transmitowanej linii obrazu a krawędź wiodącą następnego impulsu synchronizacji linii. Jego celem było umożliwienie stabilizacji poziomu napięcia w starszych telewizorach, zapobiegając zakłóceniom pomiędzy liniami obrazu. Przedni ganek jest pierwszym składnikiem poziomego odstępu wygaszania, który zawiera również impuls synchronizacji poziomej i tylny ganek.
Górek tylny jest częścią każdej linii skanowania między końcem (narastającym zboczem) impulsu synchronizacji poziomej i początkiem aktywnego wideo. Jest on używany do przywrócenia poziomu czerni (300 mV) odniesienia w analogowym obrazie wideo. W kategoriach przetwarzania sygnału, kompensuje on czas opadania i czas ustalania po impulsie synchronizacji.
W systemach telewizji kolorowej, takich jak PAL i NTSC, okres ten zawiera również sygnał colorburst. W systemie SECAM, zawiera podnośną odniesienia dla każdego kolejnego sygnału różnicy kolorów w celu ustawienia zerowego odniesienia kolorów.
W niektórych profesjonalnych systemach, zwłaszcza satelitarnych połączeń między lokalizacjami, dźwięk jest osadzony w tylnej werandzie sygnału wideo, aby zaoszczędzić koszty wynajmu drugiego kanału.
Ekstrakcja monochromatycznego sygnału wideoEdit
Składowa luminancji kompozytowego sygnału wideo waha się od 0 V do około 0,7 V powyżej poziomu „czarnego”. W systemie NTSC istnieje poziom sygnału wygaszania używany podczas przedniego i tylnego ganku oraz poziom sygnału czarnego 75 mV powyżej niego; w PAL i SECAM są one identyczne.
W odbiorniku monochromatycznym sygnał luminancji jest wzmacniany w celu wysterowania siatki sterującej w działku elektronowym kineskopu. Zmienia to intensywność wiązki elektronów, a tym samym jasność skanowanego miejsca. Regulatory jasności i kontrastu określają odpowiednio przesunięcie DC i wzmocnienie.
Wyodrębnianie kolorowego sygnału wideoEdit
Sygnał kolorowy przekazuje informacje o obrazie dla każdej z czerwonych, zielonych i niebieskich składowych obrazu (więcej informacji w artykule o przestrzeni kolorów). Jednak nie są one po prostu przesyłane jako trzy oddzielne sygnały, ponieważ: taki sygnał nie byłby kompatybilny z odbiornikami monochromatycznymi (ważne względy, gdy po raz pierwszy wprowadzono nadawanie w kolorze). Zajmowałby on również trzykrotnie większą szerokość pasma niż istniejąca telewizja, co wymagałoby zmniejszenia liczby dostępnych kanałów telewizyjnych. Ponadto, typowe problemy z transmisji sygnału (takie jak różne poziomy odbieranego sygnału między różnymi kolorami) produkować nieprzyjemne skutki uboczne.
Zamiast tego, sygnały RGB są konwertowane do postaci YUV, gdzie sygnał Y reprezentuje jasność i ciemność (luminancja) kolorów w obrazie. Ponieważ oddanie kolorów w ten sposób jest celem zarówno czarno-białego (monochromatycznego) filmu i czarno-białych (monochromatycznych) systemów telewizyjnych, sygnał Y jest idealny do transmisji jako sygnał luminancji. Zapewnia to, że odbiornik monochromatyczny będzie wyświetlał prawidłowy obraz w czerni i bieli, gdzie dany kolor jest reprodukowany przez odcień szarości, który prawidłowo odzwierciedla, jak jasny lub ciemny jest oryginalny kolor.
Sygnały U i V są sygnałami „różnicy kolorów”. Sygnał U jest różnicą między sygnałem B i sygnałem Y, znaną również jako B minus Y (B-Y), a sygnał V jest różnicą między sygnałem R i sygnałem Y, znaną również jako R minus Y (R-Y). Sygnał U reprezentuje zatem jak „purpurowo-niebieski” lub jego kolor uzupełniający „żółtawo-zielony” jest kolor, a sygnał V jak „purpurowo-czerwony” lub jego kolor uzupełniający „zielonkawo-cyanowy” jest. Zaletą tego schematu jest to, że sygnały U i V są zerowe, gdy obraz nie ma zawartości kolorów. Ponieważ oko ludzkie jest bardziej wrażliwe na szczegóły w luminancji niż w kolorze, sygnały U i V mogą być przesyłane w sposób stosunkowo stratny (konkretnie: z ograniczeniem pasma) z akceptowalnymi wynikami.
W odbiorniku, pojedynczy demodulator może wyodrębnić addytywną kombinację U plus V. Przykładem jest demodulator X używany w systemie demodulacji X/Z. W tym samym systemie, drugi demodulator, demodulator Z, również ekstrahuje addytywną kombinację U plus V, ale w innym stosunku. Sygnały różnicy kolorów X i Z są dalej matrycowane w trzy sygnały różnicy kolorów, (R-Y), (B-Y), i (G-Y). Kombinacje zwykle dwóch, ale czasami trzech demodulatorów były:
- (I) / (Q), (stosowany w RCA CTC-2 z 1954 roku i serii RCA „Colortrak” z 1985 roku, oraz Arvin z 1954 roku, a także w niektórych profesjonalnych monitorach kolorowych w latach 90-tych),
- (R-Y) / (Q), stosowany w 21-calowym odbiorniku kolorowym RCA z 1955 roku,
- (R-Y) / (B-Y), stosowany w pierwszym odbiorniku kolorowym na rynku (Westinghouse, nie RCA),
- (R-Y) / (G-Y), (stosowany w obudowie RCA Victor CTC-4),
- (R-Y) / (B-Y) / (G-Y),
- (X) / (Z), stosowany w wielu odbiornikach z końca lat 50-tych i całych 60-tych.
Na koniec, dalsze matrycowanie powyższych sygnałów różnicy barw c do f dało trzy sygnały różnicy barw, (R-Y), (B-Y), i (G-Y).
Sygnały R, G, B w odbiorniku potrzebne dla urządzenia wyświetlającego (CRT, wyświetlacz plazmowy, lub wyświetlacz LCD) są elektronicznie uzyskiwane przez matrycowanie w następujący sposób: R jest addytywnym połączeniem (R-Y) z Y, G jest addytywnym połączeniem (G-Y) z Y, a B jest addytywnym połączeniem (B-Y) z Y. Wszystko to jest realizowane elektronicznie. Można zauważyć, że w procesie łączenia, niskiej rozdzielczości części sygnałów Y anulować, pozostawiając R, G i B sygnały zdolne do renderowania niskiej rozdzielczości obrazu w pełnym kolorze. Jednakże, wyższej rozdzielczości części sygnałów Y nie anulować, a więc są równie obecne w R, G i B, produkując wyższej rozdzielczości (wyższa rozdzielczość) szczegół obrazu w monochromie, choć wydaje się do ludzkiego oka jako pełnokolorowy i pełnej rozdzielczości obrazu.
W systemach kolorowych NTSC i PAL, U i V są transmitowane przy użyciu kwadraturowej modulacji amplitudy podnośnej. Ten rodzaj modulacji stosuje dwa niezależne sygnały do jednej podnośnej, z założeniem, że oba sygnały będą odzyskiwane niezależnie na końcu odbiorczym. Przed transmisją, sama podnośna jest usuwana z aktywnej (widocznej) części obrazu i przenoszona, w formie burstu, do poziomej części wygaszania, która nie jest bezpośrednio widoczna na ekranie. (Więcej o burst poniżej.)
Dla NTSC, podnośna jest sinusoidą o częstotliwości 3,58 MHz. Dla systemu PAL jest to sinusoida o częstotliwości 4,43 MHz. Po wspomnianej wyżej kwadraturowej modulacji amplitudy podnośnej powstają pasma boczne podnośnej, a sama podnośna jest odfiltrowywana z widocznej części obrazu, ponieważ to pasma boczne podnośnej niosą całą informację U i V, a sama podnośna nie niesie żadnej informacji.
Wynikowe pasma boczne podnośnej znane są również jako „chroma” lub „chrominancja”. Fizycznie, sygnał chrominancji jest sinusoidą o częstotliwości 3,58 MHz (NTSC) lub 4,43 MHz (PAL), która, w odpowiedzi na zmieniające się wartości U i V, zmienia fazę w stosunku do podnośnej, a także zmienia amplitudę.
Jak się okazuje, amplituda chrominancji (gdy rozpatrywana razem z sygnałem Y) reprezentuje przybliżone nasycenie koloru, a faza chrominancji w stosunku do podnośnej jako odniesienia w przybliżeniu reprezentuje odcień koloru. Dla poszczególnych kolorów testowych znalezionych w testowym wzorze paska kolorów, dokładne amplitudy i fazy są czasami zdefiniowane tylko do celów testowych i rozwiązywania problemów.
Ale w odpowiedzi na zmianę wartości U i V, chroma sinewave zmienia fazę w odniesieniu do podnośnej, to nie jest poprawne, aby powiedzieć, że podnośna jest po prostu „modulowana fazą”. To dlatego, że pojedynczy sygnał testowy U sinusoida z QAM produkuje tylko jedną parę pasm bocznych, podczas gdy rzeczywista modulacja fazy w tych samych warunkach testowych będzie produkować wiele zestawów pasm bocznych zajmujących więcej spektrum częstotliwości.
W NTSC, chrominancji sinusoida ma taką samą średnią częstotliwość jak częstotliwość podnośnej. Ale przyrząd do analizy widma pokazuje, że dla transmitowanej chrominancji, składowa częstotliwości przy częstotliwości podnośnej jest w rzeczywistości zerową energią, weryfikując, że podnośna została rzeczywiście usunięta przed transmisją.
Te częstotliwości pasm bocznych znajdują się w paśmie sygnału luminancji, dlatego nazywa się je pasmami bocznymi „podnośnej” zamiast po prostu pasmami bocznymi „nośnej”. Ich dokładne częstotliwości zostały tak dobrane, że (dla NTSC), znajdują się w połowie drogi między dwiema harmonicznymi częstotliwości powtarzania ramki, zapewniając w ten sposób, że większość mocy sygnału luminancji nie pokrywa się z mocą sygnału chrominancji.
W brytyjskim systemie PAL (D), rzeczywista częstotliwość środkowa chrominancji, z równymi dolnymi i górnymi pasmami bocznymi, wynosi 4,43361875 MHz, co jest bezpośrednią wielokrotnością częstotliwości skanowania. Częstotliwość ta została wybrana w celu zminimalizowania wzoru zakłóceń dudnienia chrominancji, który byłby widoczny w obszarach o dużym nasyceniu kolorów w transmitowanym obrazie.
W pewnych momentach sygnał chrominancji reprezentuje tylko sygnał U, a 70 nanosekund (NTSC) później sygnał chrominancji reprezentuje tylko sygnał V. (Taka jest natura procesu kwadraturowej modulacji amplitudy, który stworzył sygnał chrominancji). Około 70 nanosekund później jeszcze, -U, i kolejne 70 nanosekund, -V.
Więc, aby wyodrębnić U, synchroniczny demodulator jest używany, który używa podnośnej do krótko bramka (próbki) chrominancji co 280 nanosekund, tak, że wyjście jest tylko ciąg dyskretnych impulsów, każdy o amplitudzie, która jest taka sama jak oryginalny sygnał U w odpowiednim czasie. W efekcie, impulsy te są dyskretnymi analogowymi próbkami sygnału U w czasie. Impulsy są następnie filtrowane dolnoprzepustowo tak, że oryginalny analogowy sygnał U w czasie ciągłym jest odzyskiwany. Dla V, przesunięta o 90 stopni podnośna krótko bramkuje sygnał chroma co 280 nanosekund, a reszta procesu jest identyczna jak dla sygnału U.
Gating w każdym innym czasie niż te czasy wymienione powyżej da addytywną mieszaninę dowolnych dwóch z U, V, -U, lub -V. Jeden z tych „poza-osiowe” (to jest, z osi U i V) metody bramkowania nazywa I / Q demodulacji. Innym znacznie bardziej popularnym schematem „pozaosiowym” był system demodulacji X/Z. Dalsze matrycowanie odzyskał oryginalne sygnały U i V. Ten schemat był rzeczywiście najbardziej popularny schemat demodulator przez 60s.
Powyższy proces wykorzystuje podnośną. Ale jak wspomniano wcześniej, został usunięty przed transmisją, a tylko chroma jest przekazywana. Dlatego odbiornik musi odtworzyć podnośną. W tym celu, krótki wybuch podnośnej, znany jako kolor burst, jest transmitowany podczas back porch (okres ponownego śledzenia blanking) każdej linii skanowania. Oscylator podnośnej w odbiorniku blokuje się na tym sygnale (patrz pętla blokady fazowej), aby uzyskać odniesienie fazowe, w wyniku czego oscylator wytwarza zrekonstruowaną podnośną.
(Drugim zastosowaniem burstu w droższych lub nowszych modelach odbiorników jest odniesienie do systemu AGC w celu kompensacji niedoskonałości wzmocnienia chromatycznego w odbiorze).
(Drugi sposób wykorzystania burstu w droższych lub nowszych modelach odbiorników jest odniesienie do systemu AGC w celu kompensacji niedoskonałości wzmocnienia chromatycznego w odbiorze).)
NTSC używa tego procesu bez modyfikacji. Niestety, często powoduje to słabe odwzorowanie kolorów z powodu błędów fazowych w odbieranym sygnale, spowodowanych czasami przez wielodrogowość, ale głównie przez złą realizację na końcu studia. Wraz z pojawieniem się odbiorników półprzewodnikowych, telewizji kablowej i cyfrowego sprzętu studyjnego do konwersji do nadawanego sygnału analogowego, te problemy NTSC zostały w dużej mierze naprawione, pozostawiając błąd operatora na końcu studia jako jedyną słabość renderowania kolorów systemu NTSC. W każdym razie, system PAL D (delay) w większości koryguje tego typu błędy poprzez odwrócenie fazy sygnału na każdej kolejnej linii i uśrednienie wyników dla par linii. Proces ten jest osiągany dzięki zastosowaniu linii opóźniającej o czasie trwania 1H (gdzie H = częstotliwość skanowania poziomego). (Typowy obwód używany z tym urządzeniem konwertuje sygnał kolorowy o niskiej częstotliwości na ultradźwięki i z powrotem). Błędy przesunięcia fazowego między kolejnymi liniami są zatem anulowane, a poszukiwana amplituda sygnału jest zwiększona, gdy dwa in-phase (zbieżne) sygnały są re-combined.
NTSC jest bardziej wydajne widmo niż PAL, dając więcej szczegółów obrazu dla danej szerokości pasma. To dlatego, że wyrafinowane filtry grzebieniowe w odbiornikach są bardziej skuteczne z NTSC’s 4 pole kolor fazy kadencji w porównaniu do PAL’s 8 pole kadencji. Jednak w końcu, większa szerokość kanału większości systemów PAL w Europie nadal daje ich systemom PAL przewagę w przekazywaniu większej ilości szczegółów obrazu.
W systemie telewizyjnym SECAM, U i V są przekazywane na naprzemiennych liniach, przy użyciu prostej modulacji częstotliwości dwóch różnych podnośnych koloru.
W niektórych analogowych kolorowych monitorach CRT, począwszy od 1956 roku, sygnał kontroli jasności (luminancja) jest doprowadzany do połączeń katodowych dział elektronowych, a sygnały różnicy kolorów (sygnały chrominancji) są doprowadzane do połączeń siatek sterujących. Ta prosta technika mieszania matryc CRT została zastąpiona w późniejszych półprzewodnikowych konstrukcjach przetwarzania sygnału oryginalną metodą matrycowania stosowaną w odbiornikach telewizji kolorowej z lat 1954 i 1955.