Тоискин В.С., Красильников В.В., Петренко В.И. Основы радиосвязи и телевидения: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

201

ричные балансные модуляторы. При этом чтобы обеспечить возможность

передать два цветоразностных сигнала с помощью одной поднесущей, реа-

лизован принцип квадратурной модуляции.

Рассмотрим сущность квадратурной модуляции. Структурная схема

квадратурного модулятора представлена на рис. 4.9.

ГП

БМ1

См1 См2

R-Y

B-Y

R-Y

cos ωt

B-Y

sin ωt

U cos ωt

U sin ωt

Рис. 4.9. Структурная схема квадратурного модулятора

Сигналы E

R-Y

и E

B-Y

подаются на два балансных модулятора (БМ

БМ

), модулирующих одну и ту же поднесущую ω, формируемую генерато-

ром поднесущей (ГП), у которой частоты по фазе с помощью фазовращателя

(90

) сдвинуты друг относительно друга на 90

. На выходе балансных моду-

ляторов (БМ

и БМ

) получаются два сигнала E

R-Y

cosωt и E

B-Y

sinωt, находя-

щиеся в квадратуре. При сложении этих двух сигналов в линейном смесите-

ле (СМ

) получается один сигнал Е

, модулированный по амплитуде и фазе

(рис. 4.10).

R-Y

B-Y

Рис.4.10. Векторная диаграмма сигнала на выходе модулятора

Из рис. 4.10 видно, что цветоразностные сигналы, сдвинутые по фазе на

, не влияют друг на друга и образуют стороны квадрата. Именно поэтому

такая модуляция называется квадратурной.

Сигнал

оказывается промодулированным по амплитуде и фазе:

202

| =

Y-B

Y-R

EE − ,

(4.6)

Θ = arctg(E

R-Y

B-Y

(4.7)

Как следует из (4.6), модуль вектора характеризует насыщенность цвета

передаваемого элемента, а угол - его цветовой тон.

В зависимости от окраски передаваемого в данный момент участка изо-

бражения цветоразностные сигналы меняются по амплитуде, но всегда ос-

таются сдвинутыми друг относительно друга на 90

. Соответственно их

суммарный вектор

меняется в пределах угла Θ= 0...360

. На рис. 4.11 по-

казаны положения векторов сигнала цветности для разных цветов.

Красный R-Y

B-Y

Рис. 4.11. Векторная диаграмма основных цветов

сине-зеленый

ур

ный

Зеленый

Из рисунка видно, что каждому цвету соответствует определенный

угол вектора

Сигнал

в линейном смесителе (СМ

) смешивается с яркостным

сигналом

и получается суммарный сигнал:

= E

+ E

(4.8)

Сигнал вида (4.8) называется полным цветовым телевизионным сигна-

лом. Этот сигнал является низкочастотным. Для его излучения в пространст-

во он дополнительно поступает на вход модулятора телевизионного пере-

датчика.

Если в системе SECAM в качестве опорных цветов выбраны красный

и синий, то в системе NTSC дело обстоит немного иначе. С учетом того, что

зрительный

аппарат человека мелкие детали зеленого или пурпурного цвета

воспринимает как черно-белые, в NTSC в качестве основного узкополосного

сигнала цветности выбирается зелено-пурпурный цвет (на рис. 4.11 ось обо-

значена буквой Q). Угол данного цвета по отношению к красному составляет

. Второй сигнал цветности выбирается исходя из условия ортогонально-

сти (ось I на рис. 4.11).

Выбор осей Q

и I вместо R и В обеспечивает максимально возмож-

ную цветовую четкость изображения.

Использование балансной модуляции приводит к необходимости

применять в телевизионном приемнике синхронное детектирование сигнала,

это усложняет его, но повышает помехоустойчивость. Другими словами, при

203

квадратурной модуляции в канал связи не передается несущая частота, а

при приеме она необходима, то есть необходимо использовать дополнитель-

ные методы передачи несущей.

Для передачи информации о частоте и фазе подавленной цветовой

поднесущей вместе с сигналом передается “вспышка” колебаний цветовой

поднесущей (8...10 периодов). Форма сигнала цветовой синхронизации пока-

зана на рис. 4.12. Частота

и фаза “вспышки” точно равны частоте и фазе цве-

товой поднесущей в передающем устройстве. Цветовая поднесущая необхо-

дима в приемном устройстве для синхронизации по частоте и фазе генерато-

ра, работающего на частоте поднесущей.

Рис. 4.12. Форма и место “вспышек”

Гасящий

импульс по

строке

Синхро-

импульс по

ст

оке

Вспышка

Принцип разделения сигналов, переданных методом квадратурной мо-

дуляции, основан на перемножении сигнала цветности E

, содержащего обе

квадратурные составляющие и напряжение поднесущей частоты, совпадаю-

щей по фазе с какой-либо квадратурной составляющей. Такое перемножение

осуществляется в синхронном детекторе (рис. 4.12).

ПФ

СД1

Выделение

вспышек

Г 90

R-Y

B-Y

Рис. 4.13. Схема приема цветоразностных сигналов

На выходе синхронных детекторов получаем цветоразностные сигналы

B-Y

и E

R-Y

. Третий цветоразностный сигнал E

G-Y

получается в декодирую-

щей матрице приемника из яркостного сигала и двух цветоразностных.

204

Исходя из рассмотренного ясно, что система NTSC чувствительна к фа-

зовым искажениям (рис. 4.14).

Одними из наиболее характерных видов искажений в системе с квадра-

турной модуляцией являются также искажения “

дифференциальная фаза” и

“

дифференциальное усиление”.

Искажения «дифференциальная фаза» образуются из-за наличия во

многих звеньях телевизионного тракта нелинейных реактивных цепочек.

При подаче на вход такого звена полного цветового телевизионного сигнала

фазовые сдвиги цветовой поднесущей будут меняться в зависимости от

мгновенного сигнала яркости. Поскольку в системе NTSC фазовые соотно-

шения в сигнале цветности несут информацию о цветовом

фоне, то искаже-

ния вида "дифференциальная фаза" ведут к неправильной передаче цветово-

го тона.

R-Y

B-Y

Рис. 4.14. К понятию фазовых искажений

Экспериментально установлен допуск на изменение фазового угла в

±5

, когда глаз еще не различает изменение цвета.

Искажения «дифференциальное усиление» образуются из-за нели-

нейных амплитудных характеристик элементов телевизионного тракта. При

этом сигналы цветности, расположенные на разных уровнях, получают раз-

личное усиление, что приводит к искажению насыщенности.

В силу ограничения полосы частот сигнала цветности и невозможно-

сти передавать оба цветоразностных

сигнала с симметричными верхними и

нижними боковыми частотами возникает паразитная фазовая модуляция.

Для исключения этого явления в американском стандарте цветоразностные

сигналы

R-Y

и E

B-Y

заменены на сигналы J и Q. Для этого оси первичных

цветов J и Q были повернуты относительно квадратуры

R-Y

и E

B-Y

на 33

, а

вектор Q, составляющий с вектором J угол 90

, опережал на 33

вектор E

B-Y

Итак, система NTSC имеет ряд достоинств:

- использование осей J и Q позволяет уплотнить передаваемую ин-

формацию и обеспечить высокую цветовую четкость при относительно уз-

кополосном канале передачи;

- структура спектров сигналов яркости и цветности NTSC дает воз-

можность эффективно разделять информацию с помощью режекторных

фильтров;

- декодер NTSC относительно прост и не содержит линии задержки.

205

Системе NTSC присущи и недостатки:

- высокая чувствительность к искажениям сигнала в канале передачи;

- влияние на качество приема искажений вида “дифференциальная

фаза” и “дифференциальное усиление”;

- высокие требования к параметрам канала передачи NTSC приводят

к удорожанию аппаратуры и усложнению ее эксплуатации или, если эти тре-

бования не выполняются, снижению качества цветного изображения.

4.4.2. Кодирующее и декодирующее устройство в системе NTSC

Во всех совместимых системах ЦТВ принцип получения гамма-

корректированных сигналов основных цветов

, U

является общим.

Канал сигнала яркости строится почти одинаково. Сигнал цветности пред-

ставляет собой напряжение поднесущей частоты, модулированное одновре-

менно двумя цветоразностными сигналами. Для его получения (рис. 4.15)

два сигнала

R-Y

И U

B-Y

ограничиваются по полосе с помощью ФНЧ пример-

но до 1,5 МГц и поступают в балансные модуляторы (БМ), на которые от

кварцевого генератора подается напряжение поднесущей частоты

цп

: на

один БМ непосредственно, на второй — со сдвигом по фазе на 90°. Сигналы

с выходов БМ суммируются, полученный сигнал цветности складывается с

сигналом яркости. Чтобы размах полученного сигнала

ЦТВ

при передаче

сигналов типа 100/0/75/0 не превышал уровня белого (то есть единицы в

относительных значениях), сигналы

R-Y

и U

B-Y

ослабляются по амплитуде в

и k

раз соответственно. На выходах БМ, являющихся перемножителями

напряжений, образуются сигналы

БМВ

(t) = Usinω

цп

t и U

БМВ

(t) =

Vsin(ω

цп

t+90

) = Vcosω

цп

t, в которых амплитуда поднесущей принята равной

1, начальная фаза - 0°. Полученные квадратурные (сдвинутые на 90°) состав-

ляющие модулированной поднесущей суммируются и образуют сигнал

цветности. Этот метод передачи двух сигналов на одной поднесущей частоте

называется квадратурной модуляцией. Его сущность поясняется векторной

диаграммой (рис. 4.16), на которой две квадратурные составляющие показа-

ны в виде сумм боковых

частот. Выражение для сигнала цветности имеет

вид:

СЦ

(t) = Usinω

цп

t + Vcosω

цп

t = S

СЦ

sin(ω

цп

t+ϕ

ЦП

), где

UVS

СЦ

+= ;

ЦП

=arctg(V/U) -соответственно амплитуда и фаза сигнала цветности, то есть

сигнал цветности рассматривается как пара независимых квадратурных со-

ставляющих или как одна поднесущая с амплитудно-фазовой модуляцией.

Значение частоты цветовой поднесущей выбирается из условия:

ЦП

=(2n+l)(f

стр

/2).

Амплитуда

СЦ

и фаза

сигнала цветности передают информацию со-

ответственно о насыщенности и цветовом тоне. Фаза в зависимости от пере-

даваемого цвета может изменяться от 0 до 360°. Начало координат вектор-

ной диаграммы соответствует точке цветности белого цвета. Это результат

использования БМ (при отсутствии модулирующего сигнала напряжение на

выходе БМ равно нулю) и свидетельствует об оптимальности

формирования

206

сигнала цветности, который при передаче белого и серого цветов обращается

в нуль. При использовании обычной амплитудной модуляции в сигнале

цветности также будут изменяться амплитуда и фаза, но фазовая модуляция

будет ограничена одним квадрантом. Помехоустойчивость такого сигнала

хуже.

Рис. 4.15. Структурная схема кодирующего устройства систем NTSC и PAL:

КМ — кодирующая матрица; Σ — сумматор; ФНЧ — фильтр нижних частот; ЛЗ

— линия задержки; БМ — балансный модулятор; ГЦП — генератор цветовой подне-

сущей; Ф — фазовращатель; ГКИ — генератор коммутирующих импульсов; ФСЦС

— формирователь сигнала цветовой синхронизации; ЭК — электронный коммутатор

Рис. 4.16. Квадратурные составляющие сигнала цветности

БМВ

B U

БМR

и их боковые

частоты при модуляции сигналами

U и V в виде синусоид

Амплитуда и фаза СЦ при передаче, например, насыщенного красно-

го цвета, соответствующего сигналу цветных полос типа 100/0/75/0. При пе-

редаче дополнительного к красному голубого цвета амплитуда СЦ будет

иметь то же значение (так как значения |

R-Y

| на красном и голубом одинако-

вы), фаза — противоположное. Аналогично определяются амплитуда и фаза

207

при передаче других цветов и строится цветовая векторная диаграмма для

случая передачи сигналов цветных полос типа 100/0/75/0.

Поскольку квадратурные составляющие балансно-модулированной

поднесущей

Vcosω

цп

t и Usinω

цп

t передаются в общей полосе частот (3—6

МГц), разделить их можно только на основе фазовой селекции — при син-

хронном детектировании. Синхронный детектор выполняется по схеме пе-

ремножителя. Из рис 4.16 видно, что

U = S

СЦ

cos

СЦ

и V = S

СЦ

sin

СЦ

(демоду-

ляция сигналов — проекция вектора принимаемого колебания

СЦ

на две ор-

тогональные оси, совпадающие с осями модуляции). Следовательно, если в

приемнике известна фаза одной из осей модуляции, демодуляция сигналов

осуществляется двумя синхронными детекторами, на первый вход которых

поступает принятый сигнал

СЦ

, на вторые входы — напряжение от местно-

го генератора поднесущей, фаза которой (0 и 90°) должна совпадать с фазой

поднесущей, подаваемой на второй БМ в кодирующем устройстве. Для под-

стройки с точностью до фазы местного генератора поднесущей в сигнале

цтв

на задних площадках строчных гасящих импульсов передается сигнал

цветовой синхронизации (СЦС), который представляет собой 8—10 перио-

дов колебаний поднесущей частоты с начальной фазой

СЦС

= 180

. Полный

сигнал в системе НТСЦ

ЦТВ

= U

СЦ

СЦС

Рис. 4.17. Структурная схема декодирующего устройства телевизионных приемников

систем NTSC (при передаче сигналов

V и U) и PAL (добавляются блоки, изображенные

штриховыми линиями): БР СЯ и СЦ — блок разделения сигнала яркости и сигнала цвет-

ности, ФАПЧ — фазовая автоподстройка частоты, ГЦП — генератор цветовой поднесу-

щей, СД — синхронный детектор, Ф — фазовращатель, ГКИ — генератор коммутирую-

щих импульсов, ФНЧ — фильтр нижних частот, М — матрица, У—усилитель, ЭК—

электронный коммутатор

В телевизоре такой же сигнал образуется на выходе видеодетектора и

подается на декодирующее устройство (рис. 4.17). СЦС выделяется с помо-

208

щью временного селектора и подается на схему фазовой автоподстройки

частоты (ФАПЧ), в которой сравнивается с частотой и фазой местного гене-

ратора поднесущей. Напряжение на выходе фазового детектора схемы

ФАПЧ равно нулю, если сравниваемые синусоидальные колебания сдвинуты

по фазе на 90°. Так как cos

СЦС

= 180°, фаза местного генератора должна

быть равной 90°. Полного совпадения фаз добиться практически невозмож-

но. Установлено, что между фазами поднесущей кодирующего и декоди-

рующего устройств допустима фазовая ошибка не более 2—3°. Полезный

сигнал выделяется с помощью ФНЧ (0—1,5 МГц). Аналогично выделяется

другой сигнал

V. Затем сигналы V и U усиливаются для получения сигналов

R-Y

и U

B-Y

. Третий сигнал U

G-Y

образуется в матрице. Ортогональность

(

ϕ=90°) между составляющими модулированной поднесущей является опти-

мальным вариантом с точки зрения помехоустойчивости сигнала цветности.

Если

ϕ <90°, то для разделения сигналов с помощью синхронных детекторов

опорные колебания местного генератора поднесущей должны иметь фазу,

перпендикулярную составляющей, которая подавляется. В этом случае ам-

плитуда цветоразностных сигналов на выходах синхронных детекторов про-

порциональна si

n ϕ и меньше, чем при ϕ=90°. Так как уровень шума при

этом не изменяется, то чем меньше

ϕ, тем ниже отношение сигнал / шум на

выходе синхронного детектора.

4.5. Особенности формирования и обработки сигналов в системе

PAL

Система PAL разработана фирмой “Telefunken” в 1963 году. Цель

создания этой системы - устранить основные недостатки NTSC - чувстви-

тельность к дифференциально-фазовым искажениям. В дальнейшем выясни-

лось, что система PAL имеет ряд преимуществ, которые первоначально не

казались очевидными. Телевизионное вещание по системе PAL ведется в

Германии, Великобритании, Дании, Австрии, Финляндии и ряде других

стран.

В системе PAL, как и

в NTSC, применена квадратурная амплитудная

модуляция цветовой поднесущей сигналами цветности. В качестве модули-

рующих сигналов использованы

=0,877·E

R-Y

и E

=0,493·E

B-Y

. На рис 4.18

приведена векторная диаграмма сигнала в системе PAL.

Фаза составляющей

одинакова на каждой строке. Составляющая

, например, на четных строках положительна (+U

), а на нечетных строках

- отрицательна (-

). Геометрическая сумма векторов U

и U

образует сиг-

нал цветности. Как и в NTSC, амплитуда суммарного вектора соответствует

насыщенности передаваемого участка изображения, а угол

между этим

вектором и осью

B-Y определяет цветовой фон.

Если в NTSC при передаче цветового поля угол

постоянен, то в

системе PAL знак

меняется на каждой строке. Для восстановления в при-

емнике подавленной цветовой несущей, как и в NTSC, предусмотрена пере-

209

дача на обратном ходу по строкам вспышки поднесущей. Вспышка здесь со-

стоит из десяти (в NTSC - из восьми) периодов цветовой поднесущей. В от-

личие от NTSC фаза вспышки не совпадает с осью

B-Y, а сдвинута относи-

тельно нее на угол 45

. Знак этого угла инвертируется от строки к строке од-

новременно с инвертированием знака составляющей

. Изменение знака

вспышки является информацией о знаке составляющей

R-Y

B-Y

-U

Рис. 4.18. Векторная диаграмма сигнала в системе PAL.

−

На рис. 4.19 приведена упрощенная схема кодера системы PAL.

Сигналы основных цветов поступают на матрицу (

М), где из них

формируются сигнал яркости

и сигналы цветности E

и E

, отличающие-

ся от цветоразностных сигналов только размахом. Кроме того, в матрице (

М)

к яркостному сигналу добавляются синхроимпульсы, а к сигналам цветности

- строчные стробирующие импульсы, соответствующие огибающей вспышки

поднесущей. Фильтры нижних частот (ФНЧ) ограничивают полосы сигналов

цветности значениями 1,5 МГц.

ЛЗ Σ2

М ФНЧ БМ

Σ1

ФНЧ БМ

ФИ ЭК

Г ФВ

Рис. 4.19. Упрощенная схема кодирующего устройства системы PAL

В балансных модуляторах (БМ) эти сигналы модулируют по ампли-

туде цветовую поднесущую, вырабатываемую генератором (Г). На модулятор

БМ

эта несущая поступает непосредственно, а на модулятор БМ

-через фа-

зовращательное устройство, состоящее из фазовращателя (ФВ), сдвигающего

фазу на угол 90

, фазоинвертора (ФИ) и электронного коммутатора (ЭК),

210

управляемого меандром напряжения полустрочной частоты. В одном поло-

жении коммутатора фазовый сдвиг составляет 90

, а во втором

+180

=270

. Таким образом, в кодере коммутируется не сам модулирую-

щий сигнал, а фаза поднесущей, что не меняет конечного результата. Сигна-

лы от модулятора складываются в сумматоре (Σ1), на выходе которого фор-

мируется сигнал с квадратурной модуляцией (рис. 4.18). Во втором суммато-

ре (

Σ2) сигнал цветности складывается с сигналом яркости. Линия задержки

(ЛЗ) обеспечивает совмещение во времени фронтов узкополосного сигнала

цветности и широкополосного сигнала яркости.

Упрощенная схема наиболее часто используемого варианта канала

цветности системы PAL с линией задержки показана на рис. 4.20.

Полный сигнал в системе PAL проходит полосовой фильтр (ПФ), вы-

деляющий участок спектра, где передается

цветовая поднесущая, и поступает

на вход ультразвуковой линии задержки (УЛЗ) на длительность одной строки

и на ключ (К), выделяющий вспышку поднесущей. Задержанный линией за-

держки сигнал цветности складывается с прямым сигналом в сумматоре

Σ и

вычитается из него в вычитателе (В). Суммарный и разностный сигналы по-

ступают на первые входы синхронных детекторов (СД), на вторые входы ко-

торых поданы опорные сигналы поднесущей от генератора (Г), управляемого

сигналом вспышки. В установившемся режиме фаза опорной поднесущей

совпадает с осью

R-Y.

Σ СД E

B-Y

ПФ УЛЗ

В СД

R-Y

ФВ

ФИ

Рис. 4.20. Упрощенная схема канала цветности системы PAL

На синхронный детектор сигнала

B-Y

опорная поднесущая поступает

через фазовращатель (ФВ), сдвигающий фазу на угол 90

, а на синхронный

детектор сигнала

R-Y

- через фазоинвертор (ФИ) и электронный коммутатор

(ЭК), управляемый меандром напряжения полустрочной частоты. В резуль-

тате действия коммутатора (ЭК) опорная поднесущая на синхронный детек-

тор сигнала

R-Y

подается со сдвигом по фазе, значения которого изменяются