För varje land anges ett antal tv-kanaler inom frekvensområdena UHF eller VHF i tv-systemet. En kanal består egentligen av två signaler: bildinformationen sänds med amplitudmodulering på en frekvens, och ljudet sänds med frekvensmodulering på en frekvens med en fast förskjutning (vanligen 4,5 till 6 MHz) från bildsignalen.
De kanalfrekvenser som väljs utgör en kompromiss mellan att tillåta tillräckligt med bandbredd för video (och därmed en tillfredsställande bildupplösning), och att tillåta att tillräckligt många kanaler kan packas in i det tillgängliga frekvensbandet. I praktiken används en teknik som kallas vestigial sideband för att minska kanalavståndet, vilket skulle vara nästan dubbelt så stort som videobandbredden om ren AM användes.
Signalmottagningen sker alltid via en superheterodynmottagare: det första steget är en tuner som väljer en TV-kanal och frekvensförskjuter den till en fast mellanfrekvens (IF). Signalförstärkaren utför förstärkning till IF-stegen från mikrovoltområdet till bråkdelar av en volt.
Extrahering av ljudetRedigera
I detta skede består IF-signalen av en videobärarsignal vid en frekvens och ljudbäraren vid en fast förskjutning. En demodulator återvinner videosignalen. Vid utgången av samma demodulator finns också en ny frekvensmodulerad ljudbärare vid den förskjutna frekvensen. I vissa apparater som tillverkades före 1948 filtrerades detta bort och ljudets IF på cirka 22 MHz skickades till en FM-demodulator för att återskapa den grundläggande ljudsignalen. I nyare apparater fick denna nya bärare vid offsetfrekvensen vara kvar som intercarrier-ljud, och den skickades till en FM-demodulator för att återskapa den grundläggande ljudsignalen. En särskild fördel med intercarrier sound är att när fininställningsratten på frontpanelen justeras ändras inte ljudbärarfrekvensen med inställningen, utan stannar kvar på den ovan nämnda offsetfrekvensen. Följaktligen är det lättare att ställa in bilden utan att förlora ljudet.
Så att FM-ljudbäraren sedan demoduleras, förstärks och används för att driva en högtalare. Fram till NICAM- och MTS-systemens tillkomst var TV-ljudöverföringar alltid monofoniska.
En videosignals strukturRedigera
Videobäraren demoduleras för att ge en kompositvideosignal; denna innehåller luminans-, krominans- och synkroniseringssignaler; detta är identiskt med videosignalformatet som används av analoga videoapparater, t.ex. videobandspelare eller CCTV-kameror. Observera att RF-signalmoduleringen är inverterad jämfört med konventionell AM: den lägsta videosignalnivån motsvarar den högsta bäraramplituden och vice versa. För att säkerställa god linjäritet (trovärdighet), som är förenlig med överkomliga tillverkningskostnader för sändare och mottagare, stängs videobäraren aldrig av helt och hållet. När intercarrier-ljudet uppfanns senare, 1948, hade det faktum att bäraren inte stängdes av helt och hållet som en bieffekt att intercarrier-ljudet kunde genomföras på ett ekonomiskt sätt.
Varje rad i den visade bilden överförs med hjälp av en signal som visas ovan. Samma grundformat (med smärre skillnader som främst rör timing och kodning av färg) används för TV-systemen PAL, NTSC och SECAM. En monokrom signal är identisk med en färgsignal, med undantag för att de element som visas i färg i diagrammet (färgsignal och krominanssignal) inte finns med.
Den främre porten är en kort (ca 1,5 mikrosekunder) period som infogas mellan slutet av varje överförd bildlinje och den främre kanten av nästa linjesynkroniseringspuls. Syftet var att låta spänningsnivåerna stabiliseras i äldre tv-apparater, vilket förhindrade störningar mellan bildlinjerna. Den främre porten är den första komponenten i det horisontella blankningsintervallet som också innehåller den horisontella synkroniseringspulsen och den bakre porten.
Den bakre porten är den del av varje skanningslinje som ligger mellan slutet (stigande kant) av den horisontella synkroniseringspulsen och början av aktiv video. Den används för att återställa svartnivån (300 mV) i analog video. I signalbehandlingstermer kompenserar den för nedgångstiden och etableringstiden efter synkroniseringspulsen.
I färgtelevisionssystem som PAL och NTSC omfattar denna period även färgbristsignalen. I SECAM-systemet innehåller den referensunderbäraren för varje på varandra följande färgskillnadssignal för att ställa in nollfärgsreferensen.
I vissa professionella system, särskilt satellitlänkar mellan olika platser, är ljudet inbäddat i videosignalens bakre del, för att spara kostnaden för att hyra en andra kanal.
Monokromt utdrag av videosignalenRedigera
Luminanskomponenten i en kompositvideosignal varierar mellan 0 V och cirka 0,7 V ovanför den ”svarta” nivån. I NTSC-systemet finns det en blankningssignalnivå som används under främre och bakre porten, och en svart signalnivå 75 mV över den; i PAL och SECAM är dessa identiska.
I en monokrom mottagare förstärks luminanssignalen för att driva styrgallret i CRT:s elektronkanon. Detta ändrar elektronstrålens intensitet och därmed ljusstyrkan hos den fläck som skannas. Reglerna för ljusstyrka och kontrast bestämmer DC-förskjutningen respektive förstärkningen.
Utvinning av färgvideosignalerRedigera
En färgsignal förmedlar bildinformation för var och en av de röda, gröna och blå komponenterna i en bild (se artikeln om färgrymd för mer information). Dessa överförs dock inte helt enkelt som tre separata signaler, eftersom: en sådan signal inte skulle vara kompatibel med monokroma mottagare (ett viktigt övervägande när färgsändningar först introducerades). Den skulle också uppta tre gånger den befintliga televisionens bandbredd, vilket skulle kräva en minskning av antalet tillgängliga TV-kanaler. Dessutom skulle typiska problem med signalöverföringen (t.ex. olika mottagna signalnivåer mellan olika färger) ge obehagliga bieffekter.
Istället omvandlas RGB-signalerna till YUV-form, där Y-signalen representerar ljushet och mörker (luminans) för färgerna i bilden. Eftersom återgivningen av färger på detta sätt är målet för både svartvit (monokrom) film och svartvita (monokrom) TV-system är Y-signalen idealisk för överföring som luminanssignal. Detta garanterar att en monokrom mottagare kommer att visa en korrekt bild i svartvitt, där en given färg återges av en gråton som korrekt återspeglar hur ljus eller mörk den ursprungliga färgen är.
U- och V-signalerna är ”färgskillnadssignaler”. U-signalen är skillnaden mellan B-signalen och Y-signalen, även kallad B minus Y (B-Y), och V-signalen är skillnaden mellan R-signalen och Y-signalen, även kallad R minus Y (R-Y). U-signalen representerar då hur ”purpurblå” eller dess komplementärfärg ”gulgrön” färgen är, och V-signalen hur ”purpurröd” eller dess komplementärfärg ”gröncyan” färgen är. Fördelen med detta system är att U- och V-signalerna är noll när bilden inte har något färginnehåll. Eftersom det mänskliga ögat är mer känsligt för detaljer i luminans än i färg kan U- och V-signalerna överföras på ett relativt förlustbringande (närmare bestämt: bandbreddsbegränsat) sätt med acceptabla resultat.
I mottagaren kan en enda demodulator extrahera en additiv kombination av U plus V. Ett exempel är X-demodulatorn som används i X/Z-demoduleringssystemet. I samma system finns en andra demodulator, Z-demodulatorn, som också extraherar en additiv kombination av U plus V, men i ett annat förhållande. X- och Z-färgskillnadssignalerna matriseras vidare till tre färgskillnadssignaler, (R-Y), (B-Y) och (G-Y). Kombinationer av vanligen två, men ibland tre demodulatorer var:
- (I) / (Q), (som används i 1954 års RCA CTC-2 och 1985 års RCA ”Colortrak”-serie, och 1954 års Arvin, och vissa professionella färgmonitorer på 1990-talet),
- (R-Y) / (Q), som används i 1955 års RCA 21-tums färgmottagare,
- (R-Y) / (B-Y), som användes i den första färgmottagaren på marknaden (Westinghouse, inte RCA),
- (R-Y) / (G-Y), (som användes i RCA Victor CTC-4-chassit),
- (R-Y) / (B-Y) / (G-Y),
- (X) / (Z), som användes i många mottagare i slutet av 50-talet och hela 60-talet.
I slutändan gav ytterligare matrisering av ovanstående färgskillnadssignaler c till f de tre färgskillnadssignalerna (R-Y), (B-Y) och (G-Y).
R-, G- och B-signalerna i mottagaren, som behövs för bildskärmsenheten (CRT-, plasmaskärmen eller LCD-skärmen), härleds elektroniskt genom matrisering enligt följande: R är den additiva kombinationen av (R-Y) med Y, G är den additiva kombinationen av (G-Y) med Y och B är den additiva kombinationen av (B-Y) med Y. Allt detta sker elektroniskt. Man kan se att i kombinationsprocessen upphävs den lågupplösta delen av Y-signalerna, vilket gör att R-, G- och B-signalerna kan återge en lågupplöst bild i full färg. De högre upplösande delarna av Y-signalerna utplånas dock inte och är därför lika närvarande i R, G och B, vilket ger en bild med högre definition (högre upplösning) i monokrom, även om den för det mänskliga ögat framstår som en bild i full färg och med full upplösning.
I NTSC- och PAL-färgsystemen överförs U och V med hjälp av kvadraturamplitudmodulering av en underbärare. Denna typ av modulering tillämpar två oberoende signaler på en underbärare, med tanken att båda signalerna kommer att återvinnas oberoende av varandra i den mottagande änden. Före överföringen avlägsnas själva underbäraren från den aktiva (synliga) delen av videon och flyttas, i form av en burst, till den horisontella blankningsdelen, som inte är direkt synlig på skärmen. (Mer om burst nedan.)
För NTSC är subbäraren en sinusvåg på 3,58 MHz. För PAL-systemet är det en 4,43 MHz sinusvåg. Efter den ovan nämnda kvadraturamplitudmoduleringen av underbäraren produceras underbärarsideband, och själva underbäraren filtreras bort från den synliga delen av videon, eftersom det är underbärarsidebanden som bär all U- och V-information, och underbäraren i sig själv inte bär någon information.
De resulterande underbärarsidebanden är också kända som ”chroma” eller ”chrominance”. Fysiskt sett är denna krominanssignal en sinusvåg på 3,58 MHz (NTSC) eller 4,43 MHz (PAL) som, som svar på förändrade U- och V-värden, ändrar fas jämfört med underbäraren och även ändrar amplitud.
Det visar sig att kromaamplituden (när den betraktas tillsammans med Y-signalen) representerar en färgs ungefärliga mättnad, och kromafasen jämfört med underbäraren som referens representerar ungefär färgens färgnyans. För särskilda testfärger som finns i testfärgstångsmönstret definieras ibland exakta amplituder och faser endast i test- och felsökningssyfte.
Och även om kroma-sinusvågen som svar på förändrade U- och V-värden ändrar fas i förhållande till underbäraren, är det inte korrekt att säga att underbäraren helt enkelt är ”fasmodulerad”. Det beror på att en enda sinusvåg U-testsignal med QAM producerar endast ett par sidband, medan verklig fasmodulering under samma testförhållanden skulle producera flera uppsättningar sidband som upptar ett större frekvensspektrum.
I NTSC har krominanssinusvågen samma genomsnittsfrekvens som underbärsfrekvensen. Men ett spektrumanalysatorinstrument visar att för överförd krominans är frekvenskomponenten vid underbärfrekvensen faktiskt noll energi, vilket verifierar att underbärfrekvensen verkligen avlägsnades före överföringen.
Dessa sidbandsfrekvenser ligger inom luminanssignalens band, vilket är anledningen till att de kallas för ”subcarrier”-sidband i stället för helt enkelt ”carrier”-sidband. Deras exakta frekvenser valdes så att de (för NTSC) ligger mitt emellan två övertoner av bildrepetitionsfrekvensen, vilket säkerställer att majoriteten av kraften i luminanssignalen inte överlappar med kraften i krominanssignalen.
I det brittiska PAL-systemet (D) är den faktiska centrumfrekvensen för krominans, med lika stora nedre och övre sidoband, 4,43361875 MHz, en direkt multipel av frekvensen för skanningsfrekvensen. Denna frekvens valdes för att minimera störningsmönstret för krominansslag som skulle vara synligt i områden med hög färgmättnad i den överförda bilden.
Vid vissa tidpunkter representerar krominanssignalen endast U-signalen, och 70 nanosekunder (NTSC) senare representerar krominanssignalen endast V-signalen. (Detta är karaktären hos den kvadraturamplitudmoduleringsprocess som skapade krominanssignalen). Ungefär 70 nanosekunder senare fortfarande, -U, och ytterligare 70 nanosekunder, -V.
För att extrahera U används alltså en synkron demodulator, som använder underbäraren för att kortvarigt grinda (sampling) kromasignalen var 280:e nanosekund, så att utgången endast är ett tåg av diskreta pulser, som var och en har en amplitud som är densamma som den ursprungliga U-signalen vid motsvarande tidpunkt. Dessa pulser är i själva verket diskreta analoga tidsprov av U-signalen. Pulserna filtreras sedan med lågpassfilter så att den ursprungliga analoga kontinuerliga U-signalen i kontinuerlig tid återställs. För V, en 90-graders förskjuten underbärare portar kortvarigt kromasignalen var 280:e nanosekund, och resten av processen är identisk med den som används för U-signalen.
Portar vid någon annan tidpunkt än de tider som nämns ovan kommer att ge en additiv blandning av två av U, V, -U eller -V. En av dessa ”off-axis” (dvs. av U- och V-axeln) gatingmetoder kallas I/Q-demodulering. Ett annat mycket mer populärt ”off-axis”-system var X/Z-demoduleringssystemet. Genom ytterligare matrisering återfanns de ursprungliga U- och V-signalerna. Detta system var faktiskt det mest populära demoduleringssystemet under hela 60-talet.
Ovanstående process använder underbäraren. Men som tidigare nämnts raderas den före överföringen, och endast kroman överförs. Därför måste mottagaren återskapa subbäraren. För detta ändamål sänds en kort burst av subbäraren, känd som color burst, under back porch (re-trace blanking period) för varje skanningslinje. En underbäraroscillator i mottagaren låser sig på denna signal (se faslåsad slinga) för att uppnå en fasreferens, vilket resulterar i att oscillatorn producerar den återskapade underbäraren.
(En andra användning av bursten i dyrare eller nyare mottagarmodeller är en referens till ett AGC-system för att kompensera för kroma förstärkningsfel i mottagningen.)
NTSC använder sig av denna process i oförändrad form. Tyvärr resulterar detta ofta i dålig färgåtergivning på grund av fasfel i den mottagna signalen, som ibland orsakas av multipath, men oftast av dåligt genomförande i studioslutet. I och med tillkomsten av mottagare med fasta mottagare, kabel-TV och digital studioutrustning för omvandling till en analog signal som sänds i direktsändning har dessa NTSC-problem till stor del åtgärdats, vilket gör att operatörsfel i studioslutet är den enda svagheten med avseende på färgåtergivning i NTSC-systemet. I vilket fall som helst korrigerar PAL D-systemet (fördröjning) dessa typer av fel genom att vända signalens fas på varje på varandra följande linje och beräkna medelvärdet av resultaten över par av linjer. Denna process uppnås med hjälp av en fördröjningslinje med en varaktighet på 1H (där H = horisontell skanningsfrekvens). (En typisk krets som används med denna anordning omvandlar den lågfrekventa färgsignalen till ultraljud och tillbaka igen). Fasförskjutningsfel mellan på varandra följande linjer upphävs därför och den önskade signalamplituden ökas när de två i fas (sammanfallande) signalerna kombineras på nytt.
NTSC är mer spektrumeffektivt än PAL, vilket ger mer bilddetaljer för en given bandbredd. Detta beror på att sofistikerade kamfilter i mottagarna är mer effektiva med NTSC:s 4-fälts färgfaskadens jämfört med PAL:s 8-fälts kadens. I slutändan ger dock den större kanalbredden hos de flesta PAL-system i Europa deras PAL-system fortfarande ett övertag när det gäller att överföra mer bilddetaljer.
I SECAM-tv-systemet överförs U och V på alternerande rader med hjälp av enkel frekvensmodulering av två olika färgsubbär.
I vissa analoga CRT-bildskärmar i färg, som började användas 1956, matas ljusstyrningssignalen (luminans) till elektronkanonernas katodanslutningar och färgdifferenssignalerna (krominanssignaler) matas till styrgallretanslutningarna. Denna enkla CRT-matrisblandningsteknik ersattes i senare halvledarkonstruktioner för signalbehandling med den ursprungliga matrismetoden som användes i 1954 och 1955 års färg-TV-mottagare.