O sistema de televisão de cada país especificará um número de canais de televisão dentro das gamas de frequência UHF ou VHF. Um canal na verdade consiste em dois sinais: a informação da imagem é transmitida usando modulação de amplitude em uma frequência, e o som é transmitido com modulação de frequência em uma frequência em um offset fixo (normalmente 4,5 a 6 MHz) do sinal da imagem.
As frequências do canal escolhido representam um compromisso entre permitir largura de banda suficiente para vídeo (e, portanto, resolução satisfatória da imagem), e permitir que canais suficientes sejam empacotados na banda de frequência disponível. Na prática uma técnica chamada banda lateral vestigial é usada para reduzir o espaçamento entre canais, que seria quase o dobro da largura de banda do vídeo se fosse usado AM puro.
A recepção do sinal é invariavelmente feita através de um receptor superheterodyne: o primeiro estágio é um sintonizador que seleciona um canal de televisão e muda a freqüência para uma freqüência intermediária fixa (IF). O amplificador de sinal realiza a amplificação para os estágios IF da faixa de microvolts para frações de um volt.
Extraindo o somEditar
Neste ponto o sinal IF consiste de um sinal portador de vídeo em uma freqüência e o portador de som em um offset fixo. Um desmodulador recupera o sinal de vídeo. Também na saída do mesmo demodulador há uma nova portadora de som modulada em frequência na frequência de offset. Em alguns conjuntos feitos antes de 1948, isto foi filtrado, e o som IF de cerca de 22 MHz foi enviado para um demodulador FM para recuperar o sinal sonoro básico. Em conjuntos mais recentes, esta nova portadora na frequência de offset foi autorizada a permanecer como som intercarrier, e foi enviada para um demodulador FM para recuperar o sinal sonoro básico. Uma vantagem particular do som interportadora é que quando o botão de sintonia fina do painel frontal é ajustado, a frequência portadora do som não muda com a sintonia, mas permanece na frequência de offset acima mencionada. Consequentemente, é mais fácil sintonizar a imagem sem perder o som.
Então a portadora de som FM é então desmodulada, amplificada, e usada para acionar um alto-falante. Até o advento dos sistemas NICAM e MTS, as transmissões de som de televisão eram invariavelmente monofônicas.
Estrutura de um sinal de vídeoEdit
A portadora de vídeo é desmodulada para dar um sinal de vídeo composto; isto contém sinais de luminância, crominância e sincronização; isto é idêntico ao formato de sinal de vídeo usado por dispositivos de vídeo analógicos, tais como VCRs ou câmeras de CFTV. Observe que a modulação do sinal de RF é invertida em relação à AM convencional: o nível mínimo do sinal de vídeo corresponde à amplitude máxima da portadora, e vice-versa. Para garantir uma boa linearidade (fidelidade), consistente com os custos de fabricação acessíveis de transmissores e receptores, a portadora de vídeo nunca é desligada por completo. Quando o som entre portadoras foi inventado mais tarde em 1948, não desligar completamente a portadora teve o efeito secundário de permitir que o som entre portadoras fosse implementado economicamente.
Cada linha da imagem exibida é transmitida usando um sinal como mostrado acima. O mesmo formato básico (com pequenas diferenças principalmente relacionadas ao tempo e à codificação de cores) é usado para sistemas de televisão PAL, NTSC, e SECAM. Um sinal monocromático é idêntico a um sinal a cores, com a excepção de que os elementos mostrados a cores no diagrama (a explosão de cor, e o sinal crominâmico) não estão presentes.
A varanda frontal é um breve período (cerca de 1,5 microssegundo) inserido entre o fim de cada linha de imagem transmitida e a borda dianteira do pulso de sincronização da linha seguinte. O seu objectivo era permitir a estabilização dos níveis de tensão em televisões mais antigas, evitando interferências entre as linhas de imagem. A varanda da frente é o primeiro componente do intervalo de interrupção horizontal que também contém o pulso de sincronização horizontal e a varanda traseira.
A varanda traseira é a porção de cada linha de varredura entre o final (borda ascendente) do pulso de sincronização horizontal e o início do vídeo ativo. Ele é usado para restaurar a referência de nível negro (300 mV) no vídeo analógico. Em termos de processamento de sinal, compensa o tempo de queda e o tempo de estabilização após o pulso de sincronização.
Em sistemas de televisão a cores como PAL e NTSC, este período também inclui o sinal de explosão de cor. No sistema SECAM, ele contém a subportadora de referência para cada sinal consecutivo de diferença de cor, a fim de definir a referência de cor zero.
Em alguns sistemas profissionais, particularmente ligações por satélite entre localizações, o áudio é embutido dentro da varanda traseira do sinal de vídeo, para economizar o custo de alugar um segundo canal.
Extração do sinal de vídeo monocromáticoEditar
A componente de luminância de um sinal de vídeo composto varia entre 0 V e aproximadamente 0,7 V acima do nível “preto”. No sistema NTSC, há um nível de sinal de obscurecimento utilizado durante a varanda da frente e da traseira, e um nível de sinal preto 75 mV acima dele; em PAL e SECAM estes são idênticos.
Num receptor monocromático o sinal de luminância é amplificado para accionar a grelha de controlo no canhão de electrões da CRT. Isto altera a intensidade do feixe de electrões e portanto a luminosidade do ponto a ser digitalizado. Os controles de brilho e contraste determinam o deslocamento e a amplificação DC, respectivamente.
Extracção do sinal de vídeo a coresEdit
Um sinal de cor transmite informação da imagem para cada um dos componentes vermelho, verde e azul de uma imagem (ver o artigo sobre espaço de cor para mais informações). No entanto, estes não são simplesmente transmitidos como três sinais separados, porque: tal sinal não seria compatível com receptores monocromáticos (uma consideração importante quando a transmissão a cores foi introduzida pela primeira vez). Também ocuparia três vezes a largura de banda da televisão existente, exigindo uma diminuição no número de canais de televisão disponíveis. Além disso, problemas típicos com a transmissão do sinal (tais como diferentes níveis de sinal recebido entre diferentes cores) produziriam efeitos colaterais desagradáveis.
Em vez disso, os sinais RGB são convertidos na forma YUV, onde o sinal Y representa a leveza e a escuridão (luminância) das cores na imagem. Porque a renderização das cores desta forma é o objectivo tanto do filme a preto e branco (monocromático) como dos sistemas de televisão a preto e branco (monocromático), o sinal Y é ideal para a transmissão como o sinal de luminância. Isto assegura que um receptor monocromático exibirá uma imagem correcta a preto e branco, onde uma determinada cor é reproduzida por uma tonalidade de cinzento que reflecte correctamente quão clara ou escura é a cor original.
Os sinais U e V são sinais de “diferença de cor”. O sinal U é a diferença entre o sinal B e o sinal Y, também conhecido como B menos Y (B-Y), e o sinal V é a diferença entre o sinal R e o sinal Y, também conhecido como R menos Y (R-Y). O sinal U representa então como “azul-púrpura” ou a sua cor complementar “verde-amarelado” a cor é, e o sinal V como “vermelho-púrpura” ou o seu complementar “ciano esverdeado” é. A vantagem deste esquema é que os sinais U e V são zero quando a imagem não tem conteúdo de cor. Como o olho humano é mais sensível aos detalhes na luminância do que na cor, os sinais U e V podem ser transmitidos de forma relativamente perdida (especificamente: largura de banda limitada) com resultados aceitáveis.
No receptor, um único desmodulador pode extrair uma combinação aditiva de U mais V. Um exemplo é o demodulador X usado no sistema de desmodulação X/Z. Nesse mesmo sistema, um segundo desmodulador, o demodulador Z, também extrai uma combinação aditiva de U mais V, mas em uma proporção diferente. Os sinais de diferença de cor X e Z são ainda matrizes em três sinais de diferença de cor, (R-Y), (B-Y), e (G-Y). As combinações de normalmente dois, mas às vezes três desmoduladores eram:
- (I) / (Q), (como usado no RCA CTC-2 de 1954 e na série RCA “Colortrak” de 1985, e no Arvin de 1954, e em alguns monitores de cor profissionais nos anos 90),
- (R-Y) / (Q), como usado no receptor de cor RCA de 21 polegadas de 1955,
- (R-Y) / (B-Y), usado no primeiro receptor de cor no mercado (Westinghouse, não RCA),
- (R-Y) / (G-Y), (como usado no chassi RCA Victor CTC-4),
- (R-Y) / (B-Y) / (G-Y),
- (X) / (Z), como usado em muitos receptores do final dos anos 50 e ao longo dos anos 60.
No final, a matriz dos sinais de diferença de cor acima c até f produziu os três sinais de diferença de cor, (R-Y), (B-Y), e (G-Y).
Os sinais R, G, B no receptor necessários para o dispositivo de visualização (CRT, Plasma display, ou LCD display) são derivados eletronicamente por matriz, como se segue: R é a combinação aditiva de (R-Y) com Y, G é a combinação aditiva de (G-Y) com Y, e B é a combinação aditiva de (B-Y) com Y. Tudo isso é feito eletronicamente. Pode-se ver que no processo de combinação, a parte de baixa resolução dos sinais Y se anula, deixando os sinais R, G e B capazes de renderizar uma imagem de baixa resolução a cores. No entanto, as porções de maior resolução dos sinais Y não se cancelam, pelo que estão igualmente presentes em R, G e B, produzindo o detalhe da imagem de maior definição (maior resolução) em monocromático, embora pareça ao olho humano como uma imagem a cores e com resolução total.
Nos sistemas de cor NTSC e PAL, U e V são transmitidos utilizando a modulação de amplitude em quadratura de uma subportadora. Este tipo de modulação aplica dois sinais independentes a uma subportadora, com a idéia de que ambos os sinais serão recuperados de forma independente no final da recepção. Antes da transmissão, a própria subportadora é removida da parte ativa (visível) do vídeo, e movida, em forma de estouro, para a parte horizontal de obturação, que não é diretamente visível na tela. (Mais sobre o estouro abaixo.)
Para NTSC, a subportadora é uma onda senoidal de 3,58 MHz. Para o sistema PAL, é uma onda senoidal de 4,43 MHz. Após a modulação de amplitude em quadratura da subportadora acima mencionada, as bandas laterais da subportadora são produzidas, e a própria subportadora é filtrada da parte visível do vídeo, já que são as bandas laterais da subportadora que carregam toda a informação U e V, e a própria subportadora não carrega nenhuma informação.
As bandas laterais da subportadora resultantes também são conhecidas como “chroma” ou “crominância”. Fisicamente, este sinal de crominância é uma onda senoidal de 3,58 MHz (NTSC) ou 4,43 MHz (PAL) que, em resposta à mudança dos valores U e V, muda de fase em relação à subportadora, e também muda de amplitude.
Como se vê, a amplitude cromática (quando considerada juntamente com o sinal Y) representa a saturação aproximada de uma cor, e a fase cromática contra a subportadora como referência representa aproximadamente a tonalidade da cor. Para cores de teste particulares encontradas no padrão da barra de cores de teste, amplitudes e fases exatas são algumas vezes definidas apenas para fins de teste e resolução de problemas.
Além disso, em resposta à mudança dos valores U e V, a onda sinusoidal de croma muda de fase em relação à subportadora, não é correto dizer que a subportadora é simplesmente “modulada de fase”. Isto porque um único sinal de teste de onda sinusoidal U com QAM produz apenas um par de bandas laterais, enquanto a modulação real de fase sob as mesmas condições de teste produziria múltiplos conjuntos de bandas laterais ocupando mais espectro de frequência.
Em NTSC, a onda sinusoidal de crominância tem a mesma frequência média que a frequência da subportadora. Mas um instrumento analisador de espectro mostra que, para a crominância transmitida, o componente de freqüência na freqüência da subportadora é na verdade energia zero, verificando que a subportadora foi realmente removida antes da transmissão.
Essas freqüências de banda lateral estão dentro da banda de sinal de luminância, razão pela qual são chamadas de bandas laterais “subportadoras” em vez de simplesmente bandas laterais “portadoras”. Suas freqüências exatas foram escolhidas de tal forma que (para NTSC), elas estão a meio caminho entre duas harmônicas da taxa de repetição de quadros, garantindo assim que a maior parte da potência do sinal de luminância não se sobreponha à potência do sinal de crominância.
No sistema PAL (D) britânico, a freqüência central de crominância real, com bandas laterais inferiores e superiores iguais, é de 4,43361875 MHz, um múltiplo direto da freqüência da taxa de varredura. Esta frequência foi escolhida para minimizar o padrão de interferência da crominância batida que seria visível em áreas de alta saturação de cor na imagem transmitida.
Em determinados momentos, o sinal de crominância representa apenas o sinal U, e 70 nanossegundos (NTSC) mais tarde, o sinal de crominância representa apenas o sinal V. (Esta é a natureza do processo de modulação de amplitude em quadratura que criou o sinal de crominância). Cerca de 70 nanossegundos depois ainda, -U, e outros 70 nanossegundos, -V.
Então, para extrair U, é utilizado um demodulador síncrono, que usa a subportadora para gatear brevemente (amostra) o croma a cada 280 nanossegundos, de modo que a saída é apenas um trem de pulsos discretos, cada um tendo uma amplitude que é a mesma que o sinal U original no tempo correspondente. Na verdade, esses pulsos são amostras analógicas discretas do sinal U em tempo discreto. Os pulsos são então filtrados em baixa passagem para que o sinal U original analógico de tempo contínuo seja recuperado. Para V, uma subportadora deslocada em 90 graus comporta brevemente o sinal cromado a cada 280 nanossegundos, e o resto do processo é idêntico ao usado para o sinal U.
Gating em qualquer outro momento que não os tempos mencionados acima produzirá uma mistura aditiva de quaisquer dois de U, V, -U, ou -V. Um desses métodos de “fora do eixo” (ou seja, dos eixos U e V) de comutação é chamado de demodulação I/Q. Outro esquema muito mais popular “fora do eixo” foi o sistema de desmodulação X/Z. Outras matrizes recuperaram os sinais U e V originais. Este esquema foi na verdade o esquema demodulador mais popular ao longo dos anos 60.
O processo acima usa a subportadora. Mas como mencionado anteriormente, ele foi apagado antes da transmissão, e apenas o croma é transmitido. Portanto, o receptor deve reconstituir a subportadora. Para este fim, uma pequena explosão da subportadora, conhecida como explosão de cor, é transmitida durante a parte de trás (período de re-trace blanking) de cada linha de varredura. Um oscilador de subportadora no receptor trava neste sinal (veja loop de fase bloqueado) para alcançar uma referência de fase, resultando no oscilador produzindo a subportadora reconstituída.
(Um segundo uso do estouro em modelos de receptor mais caros ou mais novos é uma referência a um sistema AGC para compensar imperfeições de ganho de croma na recepção.)
NTSC utiliza este processo sem modificação. Infelizmente, isto muitas vezes resulta em má reprodução de cores devido a erros de fase no sinal recebido, causados por vezes por multi-caminho, mas principalmente por má implementação no final do estúdio. Com o advento dos receptores de estado sólido, TV a cabo e equipamento de estúdio digital para conversão para um sinal analógico por via aérea, estes problemas de NTSC foram em grande parte corrigidos, deixando o erro do operador no final do estúdio como a única fraqueza de rendição de cores do sistema NTSC. Em qualquer caso, o sistema PAL D (delay) corrige em grande parte este tipo de erros invertendo a fase do sinal em cada linha sucessiva, e calculando a média dos resultados em pares de linhas. Este processo é alcançado através do uso de uma linha de atraso de duração de 1H (onde H = frequência de varredura horizontal). (Um circuito típico utilizado com este dispositivo converte o sinal de cor de baixa frequência em ultra-som e de volta). Os erros de deslocamento de fase entre linhas sucessivas são assim cancelados e a amplitude de sinal desejada é aumentada quando os dois sinais em fase (coincidentes) são re-combinados.
NTSC é mais eficiente no espectro do que PAL, dando mais detalhes de imagem para uma determinada largura de banda. Isto porque os filtros sofisticados de pente nos receptores são mais eficazes com a cadência de fase de 4 cores de campo do NTSC, em comparação com a cadência de campo de 8 campos do PAL. No entanto, no final, a maior largura de canal da maioria dos sistemas PAL na Europa ainda dá aos seus sistemas PAL a vantagem de transmitir mais detalhes de imagem.
No sistema de televisão SECAM, U e V são transmitidos em linhas alternadas, usando a modulação simples de frequência de dois subcarriers coloridos diferentes.
Em alguns displays CRT coloridos analógicos, a partir de 1956, o sinal de controle de brilho (luminância) é alimentado para as conexões catódicas dos canhões de electrões, e os sinais de diferença de cor (sinais de crominância) são alimentados para as conexões das redes de controlo. Esta técnica simples de mistura de matrizes CRT foi substituída em projetos posteriores de processamento de sinais em estado sólido pelo método original de matrizes usado nos receptores de TV a cores de 1954 e 1955.