WYBRANE ZAGADNIENIA
Telewizja:
Dział telekomunikacji zajmujący się przesyłaniem na odległość ruchomych obrazów wraz z
towarzyszącym im dźwiękiem za pomocą sygnałów elektrycznych. Ze względu na zastosowanie
rozróŜnia się: telewizję programową oraz telewizję uŜytkową (umoŜliwiającą obserwację zjawisk lub
kontrolę procesów w przemyśle, badaniach naukowych, itp.).
Telewizja programowa:
Telewizja nadająca programy informacyjne, edukacyjne, artystyczne, rozrywkowe i sportowe dla
szerokiego ogółu odbiorców. Funkcjonuje od 1928 w USA i od lat 30. w Europie (Francja, ZSRR,
Niemcy, Wielka Brytania) - w Polsce od 1956. Pod względem organizacyjnym i prawnym wyróŜnia
się telewizje programowe: rządowe, autonomiczne (publiczne) i prywatne (komercyjne).
Telewizor:
Odbiornik telewizyjny, urządzenie elektroniczne przeznaczone do odbierania sygnałów telewizyjnych
nadawanych przez telewizyjne stacje nadawcze w postaci fal elektromagnetycznych i do
przetwarzania tych fal w obrazy i towarzyszący im dźwięk.
Telewizor składa się zasadniczo z trzech torów: wizji (m.in. głowica wysokiej częstotliwości,
wzmacniacz pośredniej częstotliwości, wzmacniacz wizji, kineskop), fonii (m.in. demodulator,
wzmacniacz mocy, głośnik) i synchronizacji (m.in. generatory i wzmacniacze odchylania pionowego i
poziomego), a ponadto z układu zasilania.
Telewizor do odbioru obrazów kolorowych posiada równieŜ tor chrominancji, układ dekodera
(zamieniający sygnały chrominancji i luminancji na trzy sygnały barw podstawowych) oraz trzy
oddzielne wzmacniacze sygnałów RGB. Układ dekodera telewizora do odbioru obrazów kolorowych
róŜny jest dla poszczególnych systemów telewizyjnych, jednak większość obecnie produkowanych
telewizorów posiada dekoder dostosowany do odbioru programów nadawanych w róŜnych
standardach.
Systemy telewizyjne:
Systemy określające zasady i metody wytwarzania oraz przesyłania sygnałów telewizyjnych, a takŜe
parametry tychŜe sygnałów.
Analogowe systemy emisyjne oznaczone są literami: B (Szwajcaria - 625 linii, 50 pól obrazu,
odległość nośnych 5,5 MHz, szerokość kanału emisji 7 MHz), G (Niemcy - 625 linii, 50 pól, odległość
5,5 MHz, kanał 8 MHz), D (Polska - 625 linii, 50 pól, odległość 6,5 MHz, kanał 8 MHz) lub M (USA
- 525 linii, 60 pól, kanał 6 MHz). Oprócz standardów telewizji monochromatycznej (tzw. czarno-
białej) istnieją 3 systemy wytwarzania obrazu telewizji kolorowej: system PAL, SECAM, NTSC.
Nowe systemy (PALplus, MAC) posługują się ekranem o formacie 16:9 (dotąd 4:3), uniezaleŜnionym
od liczby linii wybierania (525 lub 625). Wyraźną poprawę jakości obrazu (porównywalną do obrazu
kinowego) oferują systemy HDTV (High Definition Television) o duŜej rozdzielczości, jak np.
japoński MUSE (1125 linii, 60 pól) czy europejski EU95 (1250 linii, 50 pól).
System NTSC:
System NTSC (z ang. National Television System Committee), pierwszy system telewizji kolorowej
opracowany w USA w 1953 przez zrzeszenie amerykańskich firm telewizyjnych. Polega na
przekształcaniu sygnałów barw podstawowych na trzy inne sygnały: jeden sygnał luminancji Y oraz
dwa sygnały chrominancji. Cechą charakterystyczną systemu jest to, Ŝe stosuje się w nim modulację
kwadraturową podnośnej chrominancji, która umoŜliwia przesyłanie dwóch niezaleŜnych sygnałów na
jednej fali nośnej. Istota modulacji kwadraturowej polega na tym, Ŝe dwie podnośne chrominancji o tej
samej częstotliwości są przesunięte względem siebie w fazie o 90 stopni. Obie te podnośne są
modulowane amplitudowo przez dwa niezaleŜne sygnały o modulowanej amplitudzie, która
odpowiada nasyceniu koloru oraz fazie, która odpowiada jego barwie. Przy modulacji kwadraturowej
są stosowane układy bez fali nośnej i dlatego widmo sygnału wyjściowego zawiera tylko wstęgi
boczne modulacji. A więc jeśli sygnał modulujący jest równy zeru, to sygnał wyjściowy jest takŜe
równy zeru. PowaŜną wadą systemu NTSC jest jego duŜa niestałość kolorów odbieranych obrazów
(NTSC - Never Twice the Same Colour ), gdyŜ system ten jest bardzo wraŜliwy na wszelkie zmiany
przesunięcia fazowego sygnału chrominancji.
System PAL:
System PAL (z ang. Phase Alternation Line), system telewizji kolorowej, udoskonalona wersja
amerykańskiego systemu NTSC, przystosowana do europejskich norm telewizji czarno-białej. W
systemie PAL zmniejszono wraŜliwość na zniekształcenia fazowe, będące powodem nieprawidłowego
odtwarzania kolorów w systemie NTSC, przez przełączanie co jedną linię fazy sygnału podnośnej
modulowanej sygnałem róŜnicowym R-Y (zmiana fazy co linię). System PAL został opracowany w
Niemczech w 1963. Do zalet systemu PAL naleŜą łatwość miksowania oraz następująca obok
kompensacji zniekształceń fazowych kompensacja takŜe zniekształceń kwadraturowych.
System SECAM:
System SECAM (z francuskiego Séquentiel en Couleur ŕ Mémoire) jest systemem telewizji kolorowej
kolejno-równoczesnym. Oznacza to, Ŝe stale (w sposób ciągły ) jest przesyłany tylko sygnał
luminancji obrazu, a sygnały róŜnicowe przesyłane są kolejno co drugą linię analizy. W wyniku tego
powstaje kombinowany sygnał chrominancji, który na przykład dla linii n odpowiada sygnałowi
róŜnicowemu R-Y , a dla linii n+1 sygnałowi róŜnicowemu B-Y. Drugą charakterystyczną cechą
systemu SECAM jest zastosowanie modulacji częstotliwościowej sygnału podnośnej, przy czym
sygnałem modulującym jest wspomniany kombinowany, zmieniający się co linię sygnał róŜnicowy.
System SECAM jest najmniej wraŜliwy na zniekształcenia fazy róŜnicowej i wzmocnienia
róŜnicowego. Podnośna chrominancji występuje równieŜ przy braku sygnału modulującego.
System SECAM został opracowany we Francji w 1959-1963 na bazie amerykańskiego systemu
NTSC. System SECAM stosowany był w Polsce do początku lat 90., kiedy to telewizja zmieniła
system nadawania na system PAL.
Parametry systemu telewizyjnego:
Kształt obrazu, sposób wybierania, liczba linii, rozdzielczość, częstotliwość powtarzania, zakres i
liniowość odtwarzania luminancji, zakres i wierność odtwarzania barw.
Wybieranie (adresowanie):
Wybieranie jest to zespół czynności mających na celu ustalenie kolejności analizy (nadawania) i
syntezy (odtwarzania) poszczególnych elementów obrazu. Teoretycznie istnieje nieskończenie wiele
sposobów wybierania, moŜna wyróŜnić np. wybieranie liniowe zwykłe (kolejnoliniowe), wybieranie
międzyliniowe, wybieranie międzypunktowe, a kaŜde z nich moŜe być poziome lub pionowe.
Rozdzielczość pozioma:
Rozdzielczość obrazu telewizyjnego wyraŜa się maksymalną liczbą czaro-białych elementów obrazu
odtwarzanych w kierunku poziomym, określoną na odcinku o długości równej wysokości obrazu.
ZaleŜy w zasadniczy sposób od pasma częstotliwości w układach przenoszących sygnał wizyjny. Gdy
pasmo będzie wąskie impulsy utracą ostre zbocza, przejścia od czerni do bieli będą łagodne, wąskie i
strome impulsy odpowiadające drobnym szczegółom zostaną osłabione lub nawet wyeliminowane,
obraz będzie nieostry i pozbawiony wielu szczegółów.
Sygnał obrazu:
Wynikiem procesu analizy jest sygnał elektryczny, będący odwzorowaniem rozkładu świateł wzdłuŜ
kolejnych linii wybierania. Sygnał ten nosi nazwę sygnału obrazu i stanowi podstawowy (pierwotny)
sygnał w telewizyjnych torach transmisyjnych. Jest on nieprzemienny (tj. zawsze dodatni albo zawsze
ujemny), a jego wartości chwilowe zawierają się między dwoma poziomami, odpowiadającymi
luminancjom w obrazie: maksymalnej (tzw. poziom bieli) i minimalnej (tzw. poziom czerni).
Sygnał luminancji i sygnały obrazu barwy podstawowej:
Uzyskiwane podczas procesu analizy wartości chwilowe sygnału obrazu w istotny sposób zaleŜą od
tego, w jaki sposób przetwornik reaguje na promieniowanie o róŜnej długości fali. JeŜeli zmiany jego
czułości przetwarzania w funkcji fali, określane charakterystyką czułości widmowej, są identyczne jak
oka ludzkiego, to uzyskiwany na wyjściu analizatora sygnał obrazu nosi nazwę sygnału Iuminancji.
Tory telewizyjne przesyłające wyłącznie ten sygnał – to telewizja "czarno-biała" lub
monochromatyczna.
Sygnał luminancji niesie informację tylko o jednym, ilościowym (energetycznym) parametrze
przekazywanych świateł. Transmisja pełnej informacji o światłach musi uwzględniać takŜe ich cechę
jakościową, tj. barwę. Do jej określenia niezbędne są co najmniej dwa parametry, a więc do pełnej
transmisji informacji o barwnym, płaskim obrazie świetlnym jest niezbędne wytworzenie co najmniej
trzech, niezaleŜnych sygnałów elektrycznych. Otrzymuje się je przez jednoczesną analizę
przekazywanej sceny w trzech, róŜnych przedziałach widma promieniowania świetlnego – tj. analizę
trójchromatyczną. Wypadkowe charakterystyki czułości widmowej poszczególnych torów analizy
trójchromatycznej (uwzględniające ewentualną korekcję kolorymetryczną) muszą być proporcjonalne
do charakterystyk składowych trójchromatycznych widmowych układu kolorymetrycznego syntezy.
KaŜdy z trzech, niezaleŜnych sygnałów obrazu, uzyskiwanych w wyniku analizy trójchromatycznej,
nosi nazwę sygnału obrazu barwy podstawowej R, G lub B. Razem tworzą one trójskładnikowy sygnał
obrazu.
Sygnały wygaszania:
Sygnały (impulsy) wygaszania słuŜą do eliminacji tej części sygnału obrazu, która jest wytwarzana
podczas powrotów linii i pola w przetwornikach toru. Sygnał wygaszania tworzą dwa ciągi impulsów
prostokątnych (rys. 1) o wartości szczytowej większej lub równej poziomowi czerni sygnału obrazu.
Ciągi te róŜnią się okresem powtarzania i czasem trwania impulsów. Ciąg o okresie równym czasowi
wybierania jednej linii obrazu TH i krótkim czasie trwania impulsów (ok. 1/8 okresu wybierania linii)
nazywa się impulsami wygaszania linii (poziomego) – są to impulsy występujące podczas powrotów
linii. Ciąg o okresie równym czasowi wybierania pola TV i czasie trwania impulsów równym ok. 1/10
tego okresu to impulsy wygaszania pola (pionowego) – są to impulsy odpowiadające powrotom
półobrazu. Czasy trwania obu składników całkowitego sygnału wygaszania są zazwyczaj dłuŜsze od
rzeczywiście wymaganych przez współczesne przetworniki syntetyzujące. Zapewnia to – kosztem
nieznacznego zmniejszenia powierzchni pola obrazowego – wygaszenie tych jego części, które
odpowiadają początkowym fazom procesów analizy i syntezy. Fazy te są na ogół zniekształcane
wskutek występowania stanów nieustalonych podczas formowania przebiegów adresujących
(wybierających) przetwornik. Podczas trwania impulsu wygaszania pola, impulsy wygaszania linii nie
są przesyłane.
Sygnał wizyjny:
Po zsumowaniu sygnałów obrazu i wygaszania wypadkowy przebieg, tzw. sygnał wizyjny przybiera
wartości równe (rys. 1):
– poziomowi impulsów wygaszania, podczas ich trwania;
– wartości sygnału obrazu w pozostałych chwilach.
Widoczna na rys. 1 róŜnica między poziomami szczytowym impulsów wygaszania i czerni sygnału
obrazu, tzw. odstęp czerni (ang. lift), wynosi 0–4% wartości międzyszczytowej sygnału wizyjnego.
Rys. 1.
Sygnał synchronizacji:
Sygnał synchronizacji zapewnia powierzchniową zgodność procesów adresowania, zachodzących w
obu przetwornikach toru telewizyjnego. W przypadku najczęściej obecnie spotykanej, liniowej analizy
obrazów, do synchronizacji procesu syntezy wystarczy przesłanie informacji jedynie o początku lub
końcu adresowania (wybierania) kolejnej linii i kolejnego półobrazu. W praktyce, dla uniknięcia
dodatkowych strat sygnału obrazu, informację taką przesyła się podczas trwania impulsu wygaszania
(linii lub pola). Dotyczy ona wówczas końca adresowania linii lub pola, a więc inaczej – początku
powrotu czynnika wybierającego.
Moment synchronizacji określają połoŜenia czasowe przednich zboczy dwóch ciągów impulsów
prostokątnych, z których jeden – o okresie TH – przekazuje informację o adresowaniu linii, natomiast
drugi, o czasie powtarzania TV – informację o adresowaniu półobrazów. Pierwszy z nich nosi nazwę
sygnału synchronizacji linii (poziomej), drugi zaś – sygnału synchronizacji pola (pionowej). Razem
tworzą tzw. całkowity sygnał synchronizacji CSS, który zsumowany z sygnałem wizji daje w wyniku
całkowity sygnał wizyjny CSW.
Wartości szczytowe impulsów tworzących CSS są większe 4/3÷10/7 raza od poziomu impulsów
wygaszania (rys. 2). Sygnał synchronizacji osiąga najwyŜsze wartości spośród wszystkich przebiegów
wchodzących w skład CSW, określane nazwą poziomu synchronizacji. Poziom ten odpowiada,
formalnie rzecz biorąc, luminancjom ujemnym, a więc (podobnie jak w przypadku sygnału
wygaszania) – tzw. podczerni. Dzięki tej właściwości, sygnały synchronizacji nie są odtwarzane przez
przetwornik syntetyzujący (nie zakłócają procesu syntezy obrazu), a takŜe mogą być wydzielane z
CSW za pomocą prostej dyskryminacji amplitudowej (rys. 2).
Rys. 2
RozróŜ nienie składników CSS:
RozróŜnienie składników całkowitego sygnału synchronizacji moŜe mieć charakter amplitudowy bądź
czasowy. Przy rozróŜnieniu amplitudowym czasy trwania impulsów obu ciągów są jednakowe, róŜnią
się one natomiast poziomami. Ich rozdział w zespole odbiorczym (tzw. separacja) wymaga więc
zastosowania
zespołu
komparatorów
poziomów.
Przy
rozróŜnieniu
czasowym
wartość
międzyszczytowa obu sygnałów pozostaje stała, natomiast czas trwania impulsu synchronizacji pola
tsV jest znacznie dłuŜszy od czasu trwania impulsu synchronizacji linii tsH (rys. 3). Pozwala to na ich
separację za pomocą prostych, biernych układów RC (rys. 3), przy czym będzie ona tym lepsza, im tsV
/tsH jest większe.
Rys. 3.
Sygnał CSS w otoczeniu impulsu synchronizacji pola:
Zaprezentowana na rys. 3 podstawowa postać CSS znajduje zastosowanie jedynie w prostszych
systemach telewizji nieprogramowej, o niskich parametrach uŜytkowych. Występują w niej bowiem
dwa, niekorzystne dla procesu syntezy przekazywanego obrazu, zjawiska:
– zanik impulsów synchronizacji linii podczas przesyłania impulsu synchronizacji pola (im czas
trwania tego impulsu tsV jest dłuŜszy, tym łatwiejsza jest jego separacja, stąd zazwyczaj tsV = 2÷3 TH),
– róŜny dla kaŜdego kolejnego półobrazu przedział czasu, oddzielający ostatni (w danym półobrazie)
impuls synchronizacji linii od przedniego zbocza impulsu synchronizacji pola.
PowyŜszym zakłóceniom procesu syntezy moŜna zapobiec przez nieznaczną modyfikację sygnału
synchronizacji linii w bezpośrednim otoczeniu impulsu synchronizacji pola – rys. 4. Impulsy
synchronizacji linii w otoczeniu impulsu synchronizacji pola zastępuje się ciągiem przebiegów
prostokątnych o dwukrotnie (w stosunku do SH) krótszych czasach trwania i powtarzania, dzięki
czemu sekwencja przebiegów w okolicy obu zboczy impulsów synchronizacji pola jest dla obu
półobrazów ta sama.
Rys. 4.
Zasada odpowiednioś ci:
Zgodnie z zasadą odpowiedniości przekaz informacji o obrazach kolorowych powinien być moŜliwy
do odtworzenia za pomocą standardowych urządzeń telewizji monochromatycznej (oczywiście w
postaci obrazów monochromatycznych) i odwrotnie: transmisja monochromatyczna (informacja tylko
o rozkładzie luminancji) – za pomocą standardowych urządzeń telewizji kolorowej.
Sygnały transmisyjne - sygnał luminancji i sygnały róŜ nicowe:
KaŜdy z sygnałów obrazów barw podstawowych niesie uwikłaną informację o wszystkich cechach
przekazywanych świateł. Powoduje to znaczną wraŜliwość tych sygnałów na zakłócenia i
zniekształcenia transmisyjne. Z tego powodu sygnały obrazu barw podstawowych są przekształcane w
inne postaci, bardziej dogodne do przesyłania w rzeczywistych torach telekomunikacyjnych. Tak
zmienione sygnały noszą nazwę sygnałów transmisyjnych.
Dodatkową przesłanką przemawiającą za zmianą postaci sygnałów przekazywanych w torze
telewizyjnym jest konieczność spełnienia zasady odpowiedniości. Określone zasadą odpowiedniości
ograniczenia sprawiają, Ŝe w systemach je spełniających jednym z sygnałów transmisyjnych jest po
prostu sygnał luminancji Y. Ten właśnie sygnał, wyłącznie przetwarzany w torach telewizji
monochromatycznej,
umoŜliwia
prawidłową
syntezę
"odpowiedniościowego"
obrazu
monochromatycznego. Sygnał luminancji moŜe być uzyskiwany na wyjściu osobnego,
monochromatycznego analizatora obrazu (typowy sposób w torach telewizji monochromatycznej) lub
przez liniowe sumowanie sygnałów obrazów barw podstawowych w następujących proporcjach
(słusznych dla aktualnie eksploatowanych standardów):
uY = 0,299·uR + 0,587·uG + 0,114 uB
Przekazywanie pełnej informacji o właściwościach energetycznych świateł (tj. o ich luminancji) za
pomocą sygnału uY umoŜliwia "usunięcie" tej informacji z sygnałow barw podstawowych. Dokonuje
się tego przez odjęcie od nich luminancji uY. Od tej operacji uzyskiwane przebiegi (oznaczane
umownie jako: uR-Y, uG-Y, uB-Y) noszą nazwę sygnałów róŜnicowych. Zawierają one informację
wyłącznie o zabarwieniu przekazywanych świateł, co stwarza moŜliwość znacznego zawęŜenia ich
pasma (w stosunku do sygnału luminancji).
KaŜdy z sygnałów róŜnicowych moŜna odtworzyć za pomocą dwóch pozostałych. Oznacza to, Ŝe
jeden z nich w telewizji programowej, uG-Y (o najmniejszych, statystycznie rzecz biorąc, wartościach)
moŜe być pominięty w procesie transmisji. Ostatecznie zatem komplet sygnałów transmisyjnych
stanowią:
– sygnały luminancji uY o pełnym, przewidzianym wymaganiami standardu paśmie;
– sygnały róŜnicowe uR-Y i uB-Y o paśmie wyraźnie zawęŜonym w odniesieniu do pasma sygnału uY.
Sygnały wizyjne barw podstawowych.
Sygnały wizyjne barw podstawowych (bez korekcji gamma) odpowiadające standardowemu obrazowi
pionowych pasów barwnych dla następujących parametrów tego obrazu:
a) 100% nasycenia barw i 100% głębokości modulacji sygnału obrazu,
b) 75% nasycenia barw i 100% głębokości modulacji,
c) 100% nasycenia barw i 90% głębokości modulacji.
Sygnał luminancji i sygnały róŜ nicowe.
Sygnały wizyjne barw podstawowych, sygnał luminancji i sygnały róŜnicowe odpowiadające
obrazowi pionowych pasów barwnych.
Całkowity sygnał wizyjny CSW...
Całkowity sygnał wizyjny CSW w otoczeniu impulsów synchronizacji linii (a) i pola (b)
Parametry sygnałów pomocniczych
Nominalne wartości niektórych parametrów sygnałów pomocniczych dla wybranych standardów
telewizji programowej.
Poziomy składowych CSW
Nominalne, względne poziomy składowych całkowitego sygnału wizyjnego dla wybranych
standardów telewizji programowej.
Składanie sygnału chrominancji...
ZłoŜenie sygnału CU podnośnej COU zmodulowanej w amplitudzie sygnałem U (a) i sygnału CV
podnośnej COV zmodulowanej w amplitudzie sygnałem V (b) w sygnał chrominancji C z wytłumioną
podnośną COU i COV (c). Barwa wyraŜa się kątem fi promienia sygnału chrominancji C, a nasycenie
koloru – długością promienia C.
Impuls synchronizacji kolorów:
Impuls synchronizacji kolorów (10 cykli podnośnej chrominancji 4,43 MHz).
Sygnał chrominancji kolejnych linii.
Sygnał chrominancji następujących po sobie linii 1, 2, 3, ... , 2n-1, n – gdy n = 1, 2, 3, ... .
Promienie sygnałów chrominancji.
Promienie sygnałów chrominancji dla obrazu kontrolnego pionowych pasów o nasyceniu 75% oraz
impulsów synchronizacji kolorów dla dwóch sąsiednich linii obrazu.
Kolorowy całkowity sygnał wizyjny CYXS.
Kolorowy całkowity sygnał wizyjny CYXS dwóch następujących po sobie linii w systemie PAL przy
przesyłaniu obrazu kontrolnego złoŜonego z kolorowych pionowych pasów o nasyceniu 75%.