Последнее изменение файла: 2007.12.05
Скопировано с www.bog.pp.ru: 2024.04.20

Bog BOS: dw: Аналоговый телевизионный сигнал (ч/б, цветной, эфир, запись)

• чёрно-белый телевизионный сигнал
• цветной телевизионный сигнал
• телевизионный радиосигнал
• кодирование сигнала в видеомагнитофонах
• разъёмы и кабели
• оцифрованный сигнал
• геометрическое соотношение сторон (aspect ratio)

Передача чёрно-белого телевизионного сигнала осуществляется с помощью последовательной линейной чересстрочной (interlace) развёртки элементов изображения кадра (слева направо. сверху вниз) при последовательно передаче кадров. Элемент изображения - круглый или квадратный (прямоугольный?) участок изображения с предположительно одинаковой яркостью по всей площади. Геометрический формат кадра - 4:3. Стандарт CCIR: частота кадров - 25 кадров в секунду, каждый кадр состоит из 625 строк, из них 574 (575, 576?) строк несут изображение.

Чересстрочность развёртки означает, что яркость элемента изображения строкой ниже измеряется через 1/50 секунды от элемента текущей строки (в отличие от прогрессивной развёртки, при которой строки передаются подряд). Таким образом кадр состоит из двух полей (полукадров). Верхнее (первое, раннее) поле состоит из нечётных строк кадра, нижнее поле - из чётных (на практике последовательность полей может быть перепутана). Черезстрочную развёртку можно рассматривать как аналоговый метод сжатия с потерями, позволяющий уменьшить мерцание экрана без увеличения используемой полосы частот.

Последовательность развёртки означает, что элементы изображения в строке передаются последовательно (по очереди, с соответствующим временным интервалом) в отличие от кинокадров, в которых все элементы соответствуют одному моменту экспонирования. Таким образом, яркость элемента в правом нижнем углу измеряется приблизительно через 1/50 секунды после элемента в левом верхнем углу того же поля. При передаче между полями и строками отводятся определённые интервалы времени (первоначально - на обратный ход луча ЭЛТ), во время которых снимаемый объект продолжает двигаться! Телевизионный сигнал является дискретным по кадрам и строкам, сигнал внутри строки - аналоговый! Число точек в строке определяется частотой выборки и шириной захвата (какую часть неактивной части строки мы захватываем "на всякий случай" вместе с полезным сигналом).

Нечетное поле - 312.5 нечетных строк изображения (изображение занимает строки с 23 по 310, первая строка начинается с середины), четное поле - 312.5 четных строк (изображение занимает строки с 336 по 623, последняя строка заканчивается на середине). Частота строчной развертки - 15625 Hz. Между строками и между кадрами размещается сигнал синхронизации. Уровень черного составляет 25% (30%) от уровня белого. Уровень сигналов синхронизации ниже уровня черного. Время строки - 64 мкс, включая строчный синхроимпульс длиной 4.7 мкс, заднюю площадку гасящего импульса (синхроимпульса) - 5.8 мкс, полезный сигнал (51.95 мкс) и переднюю площадку синхроимпульса следующей строки - 1.55 мкс. Импульсы кадровой синхронизации занимают последние 2.5 строк поля и первые 5 строк следующего поля. Весь кадровый обратный ход занимает 25 полных строк (1600 мкс), 3 строки текущего поля и 22 строки следующего. остается 625-25*2=575. Кроме активных строк и строк с импульсами кадровой синхронизации полный сигнал содержит свободные строки (Vertical Blanking Interval, VBI), которые можно использовать для передачи данных. Обратный ход 17 и 18 строки содержит измерительные сигналы, которые позволяют измерить АЧХ и полосу пропускания тракта, линейность передачи уровней.

Должна обеспечиваться контрастность (яркость максимальная/яркость минимальная) от 50 до 100 (80-90 градаций яркости). Контраст между соседними мелкими деталями на порядок меньше. Время разгорания люминофора меньше длительности одного элемента изображения. Время послесвечения делается чуть меньше длительности кадра. Отношение сигнал-помеха равно 20 * lg ((белый сигнал - черный сигнал)/ эффективное значение помех). При 60 dB - помехи незаметны (помеха порядка белый/1000!). При 20 dB - недопустимо велики.

Американский стандарт (RS-170, RS 170A) - 29.97 кадров в секунду, 480 (482?) строк изображения, частота строчной развертки - 15734 Hz.

Передающая телевизионная камера получает сигналы RGB, преобразует их (предварительно производится гамма-коррекция: E'=1/g*E^1/g, где g=2.2) в сигнал яркости Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B (униполярен, выбран исходя из белого с цветовой температурой 6500K) и цветоразностные сигналы R-Y и B-Y (биполярны). Y', R'-Y' и B'-Y' с учетом гамма-коррекции. Чтобы сумма сигналов яркости и цветности не превышала уровня белого цветоразностные сигналы нормируют (PAL: U=0.493*(B'-Y'), V=0.877*(R'-Y'); SECAM: DR=-1.9U, DB=1.5V). Это делается для совместимости с чёрно-белым телевидением (цветной телевизионный сигнал занимает ту же самую полосу, что и чёрно-белый, а сигнал Y воспринимается приёмниками чёрно-белого телевидения как уровень белого).

Полный цветной телевизионный сигнал - CVBS (Chroma, Video, Blanking, Sync).

Система ЦТ СЕКАМ-3б (SECAM V, SEquentiel Couleur A Memoire, 1967) - цветоразностные сигналы передаются на поднесущих частотах fR = 4.40625 MHz (282 Fстр) и fB = 4.25 MHz (272 Fстр) с ассиметричной частотной модуляцией (dfR от -500 кГц до 350 кГц, dfB от -350 кГц до 500 кГц), так что они занимают одну полосу. Ширина полосы - 1.5 MHz. В одной строке передается R-Y, в следующей B-Y и т.д.. Полярность сигналов опознавания строки (передаются во время обратного хода луча по кадру начиная с 7й по 15ю и с 320й по 328ю строку) позволяет отличить "красную" и "синию" строки. В конце строчного гасящего импульса передается пакет колебаний немодулированных поднесущих, частота которых также позволяет опознать цвет строки. Узкополосные цветоразностные сигналы задерживаются относительно широкополосного сигнала яркости, поэтому последний пропускается через линию задержки 0.7 мкс (то же и в приемнике). Цветовая чёткость снижена вдвое по вертикали, после ярких участков синяя окантовка, после тёмных - жёлтая. SECAM-V: опорный сигнал передаётся в межкадровом (vertical) интервале, SECAM-H: опорный сигнал передаётся в межстрочном (horizontal) интервале.

Система ЦТ PAL (Phase Alternation Line, "Telefunken", 1963) - цветоразностные сигналы передаются одновременно с помощью квадратурной модуляции поднесущей (суммирование двух амплитудных модуляций со сдвигом по фазе на 90 градусов), частота поднесущей - 4.43 MHz, ширина полосы - по 1 МГц с каждой стороны. В конце строчного гасящего импульса передается сигнал вспышки (пакет колебаний немодулированной поднесущей), который позволяет согласовать частоту и фазу генератора опорной частоты. На следующей строке фаза R-Y меняется на 180 градусов, сигнал складывается с сигналом предыдущей строки для компенсации фазовой ошибки (корректируется только цветовой тон, но не насыщенность). Если усреднение предоставляется человеческому глазу, то PAL-S, сложение с помощью линии задержки - PAL-D. PAL-N (Chrominance Lock): отслеживание и исправление искажения фазы. Цветовая чёткость снижена вдвое по вертикали.

NTSC (Never The Same Color, 1953) - 29.97 кадров в секунду - работает аналогично (без компенсации сдвига фазы). Частота поднесущей - 3.58 МГц, ширина полосы сигнала яркости - 4.2 МГц, ширина полосы сигнала цветности - 1 МГц. Кодирование цвета производится в пространстве I/Q (EI = 0.737U - 0.268V , EQ=0.478U+0.413V). Цветовой тон изменяется в зависимости от яркости.

Если бы пикселы были квадратными, то полный кадр занимал бы полосу 833.3x625x25 = 6.5 MHz для аналогового сигнала. При амплитудной модуляции возникает 2 боковые полосы шириной 6.5 MHz по сторонам от несущей частоты. Правая боковая полоса сужается до 4.2-6 MHz в зависимости от стандарта, левую было бы замечательно подавить совсем, но приемник получился бы дорогой, поэтому ее давят частично до 0.75-1.25 MHz в зависимости от стандарта. Сигнал по бокам нельзя обрезать сразу до нуля, поэтому он постепенно уменьшается в полосках по 0.5 MHz. Звуковой сигнал в диапазоне 30-15000 Гц - частотная модуляция с девиацией несущей частоты +-50 kHz. Мощность передатчика звукового сопровождения в 10 раз меньше передатчика изображения. Разнос несущих частот звука и изображения определяется стандартом.

Буквенные индексы эфирных ТВ стандартов (48,5...66 МГц - первый частотный диапазон, 76...100 МГц - второй частотный диапазон, 174...230 МГц - третий частотный диапазон, 470...790 МГц - четвертый частотный диапазон).

Отличия B от G и D от K в значениях несущих телевизионных каналов.

Индекс EE - SECAM D/K и PAL B/G. OIRT - разнос несущих изображения и звука в 6.5 MHz. CCIR - разнос несущих изображения и звука в 5.5 MHz. СССР - цветность SECAM V, система D в МВ и SECAM K в ДМВ, MESECAM для VHS, декодирование в PAL для S-VHS, RF каналы - R1-12, E21-68. USA - NTSC-M, американские оккупационные войска в Германии - NTSC-4.43, Англия - PAL-I, Германия - PAL-B/G.

В спутниковом телевидении сигнал яркости модулируется по частоте и разнесен с сигналом цветности (общая ширина полосы сигнала - 27-36 MHz, ширина канала - 28 МГц, соседние каналы имеют различную поляризацию). Несколько звуковых каналов (15 кГц) передаются каждый на своей поднесущей.

NICAM 728 (Первый канал, MTV): 2 независимых звуковых канала, оцифровка PCM - 32 кГц, 14 бит (сжимаются до 10 бит). Суммарный поток - 728000 бит/сек. Используется относительная квадратурная фазовая модуляция (364 килобод), сдвиг несущей относительно сигнала изображения - 6.552 MHz.

Телетекст: на каждом канале может быть до 8 магазинов по 100 страниц. Страница - до 24 строк по 40 символов (7 бит). Матрица символа - 5x7, 3 линии между строками символов, линия между символами. Генератор символов может использовать и другую матрицу (7x9). Используются строки изображения с 7 по 18 и с 320 по 331 (обратный ход луча), по одной строке текста на строку изображения (ровно страница на кадр). Строка - 360 бит (1 - 66% уровня белого, 0 - уровень черного). Битовая скорость - 444 строчной частоты, 6937000 бит/сек.

Видеомагнитофоны VHS. Вращающийся барабан с 2 головками наклонен под углом и головки образуют наклонные строки, каждая строка содержит полное поле (полукадр), т.е. один оборот барабана - один кадр (1500 об/мин) . Сигналы синхронизации не записываются (попадают на переход с головки на головку). Скорость ленты - 2.339 см/с (SP) и 1.1695 см/с (LP, специальные тонкие головки, обеспечивающие более плотное наложение наклонных строк за счёт ухудшения соотношения сигнал/шум), скорость головок 5 м/с, ширина ленты - 12.65 мм. PAL: полоса сигнала яркости сужается до 3 МГц (та часть сигнала яркости, которая смешана с сигналами цветности, обрезается полностью) и модулируется по частоте (уровень белого - 4.8 МГц, нижний уровень синхросигнала - 3.8 МГц). Полоса частот сигналов цветности сужается до 0.8 Мгц (точнее, из полного телевизионного сигнала сигналы цветности вырезаются только из полосы 3.9-4.7 MHz вместо 3-5.7 MHz) и переносится в полосу 0.3-1.1 MHz. Выпадения сигнала - уменьшение амплитуды сигнала ниже допусимого уровня, выглядит как горизонтальная шумовая полоса. Четкость изображения - 240 линий. Звук записывается на отдельной продольной дорожке (13 кГц). На отдельную продольную дорожку записываются сигналы синхронизации ведущего вала.

Варианты записи SECAM:

• MESECAM - это способ записи сигнала SECAM методом гетеродинирования. Т.е. полоса сигнала цветности искусственно сужается до 0.8Мгц и переносится в диапазон 0.36-1.1Мгц, т.к. этот диапазон в ЧМ сигнале яркости оказывается свободным. В результате в диапазоне частот от 0.36 до 5Мгц удается впихнуть весь ТВ сигнал. Используются те же блоки, что и при записи PAL, отключается компенсатор перекрестных искажений, да изменяется частота настройки входного фильтра. Больше цветных помех в режиме LP.
• т.к. мы имеем FM сигнал, то можем рассматривать его как последовательность импульсов, частоту которых можно поделить на 4 перед записью и умножить на 4 при восстановлении

Hi-Fi видеомагнитофон - ЧМ звук (20-20000 Гц) записывается наклонными строками на несущих 1.3 Mhz (левый) и 1.7 MHz (правый).

Super VHS - специальная лента, S-Video разъем (раздельно яркость и совмещённые цветоразностные сигналы). SVHS-ET - запись на обычную ленту. Полоса сигнала - 5 МГц вместо 3 Мгц. При записи SECAM производится преобразование в PAL, при воспроизведение - обратное преобразование, если надо.

Video 8 (8 mm). Цифровая запись звука (PCM, 20-20000 Hz, 80 dB).

Типы источника

• антенный вход (ВЧ, RF), затухание кабеля РК75-4-11 - 0.4 дБ/м
• composite (отдельно звук, отдельно единый сигнал изображения, 1V), тюльпан
• S-video (изображение разбито на яркостный и цветовой сигналы, 1V), DIN-?
• component video (YUV, YCbCr): яркостный и два раздельных цветовых сигнала, несколько модификаций
• RGB/VGA (а существует ли формальный стандарт?)

Розетка SCART (euroconnect, Peritel), множество вариантов разной степени кастрированности, направление обозначается стрелками:

1. выход правого звукового канала (0.5 В, 1 кОм)
2. вход правого звукового канала (0.5 В, 10 кОм)
3. выход левого звукового канала (0.5 В, 1 кОм)
4. общая земля звуковых каналов
5. земля B
6. вход левого звукового канала (0.5 В, 10 кОм)
7. вход B (0.7 V, 75 Om)
8. управление источником сигнала (12 В)
9. земля G
10. линия связи между устройствами
11. вход G (0.7 V, 75 Om)
12. линия связи между устройствами
13. земля R
14. земля линии связи между устройствами
15. вход R (0.7 V, 75 Om)
16. быстрое гашение RGB (1-3 V)
17. земля полного видеосигнала
18. земля быстрого гашения RGB
19. выход полного видеосигнала (1 V, 75 Om)
20. вход полного видеосигнала (1 V, 75 Om)
21. земля соединителя

Повторюсь, что телевизионный сигнал является дискретным по кадрам и строкам, сигнал внутри строки - аналоговый! Т.е. число точек в строке определяется частотой выборки и шириной захвата (какую часть неактивной части строки мы захватываем "на всякий случай" вместе с полезным сигналом.

Видеопотоки (частота оцифровки)(NTSC/EIA опущены)

• 13.5 MHz ITU-R BT.601 (CCIR 601, Rec. 601); неквадратный пиксель (128/117) для 625/50 и 525/59.94 систем; предназначался для оцифровки компонентного сигнала; длина строки - 64 мкс; активная часть - 52 мкс (51.95 мкс!); матрица оцифровки делается шире, чтобы захватить всю строку с гарантией, лишнее по бокам потом отрезается до 702; если надо получить "честные" 720 пикселов, то надо оцифровывать с частотой 720/52 мкс = 13.8 МГц; сигналы цветности цифруются с половинной частотой (6.75 MHz, 360 пикселов)
  • это составляет 702 пикселя в активной части строки (864 всего); 574 строки и 2 половинки (576)
  • если матрица оцифровки 720x576 (D1, DVB, DVD, SVCD) - 52.33 мкс на строку (активных пикселов 702)
  • если матрица оцифровки 704x756 (DVD, H.263 (4CIF), VCD) - 52.148 мкс на строку (активных пикселов 702)
• 14.75 MHz; квадратный пиксель для 625/50; предназначался для оцифровки композитного сигнала; 768x576; длина активной части строки - ~52 мкс; для точно квадратного пикселя требуется частота оцифровки 14+10/13 MHz; 1327104 байт/кадр, 33177600 байт/сек, 31.64 MB/sec, 2 GB/min
• 12 + 27/99 MHz; SMPTE 244M; квадратный пиксель для 525/59.94 систем; предназначался для оцифровки композитного сигнала
• 9 MHz CCIR SVCD; неквадратный пиксель 128/78; длина строки 52.33333 мкс; матрица оцифровки 480x576; активная часть 468x576
• 7.375 MHz CCIR; почти квадратный пиксель; матрица оцифровки 384x288; активная часть 383.5x288; длина активной части строки - ~52 мкс
• 6.75 MHz CCIR; неквадратный пиксель 256/117; матрица оцифровки 352x576; активная часть 351x576; DVD; длина активной части строки - 52.148 мкс
• 6.75 MHz CCIR; неквадратный пиксель 128/117; матрица оцифровки 352x288; активная часть 351x288; длина активной части строки - 52.148 мкс; VCD, DVD, H.261 + H.263 (CIF)

CCIR 656: цифровой поток 27 MB/s в последовательности: Cb, Y, Cr, Y и т.д. 720 пикселов в активной части строки (1440 отсчетов + 4 байтовый код начала и 4 байтовый код конца строки), также передаются отсчеты для синхроимпульсов (276 или 288 байт).

SMPTE-125: аналогично CCIR 656, но частота 24.54 MHz (640 пикселов в активной части строки).

Примечаник к теореме Котельникова. Формула, связывающая потери при восстановлении аналогового сигнала из оцифрованного от коэффициента запаса частоты дискретизации к верхней частоте сигнала a при а>=3 и ФНЧ первого порядка: ~1/(a^2), т.е. хотим 1% потерь - надо брать Fд не в 2, а в 20 раз больше Fв.

Если исходный сигнал 16:9, а монитор 4:3, то можно использовать преобразования:

• letter box (добавляются черные поля сверху и снизу)
• cropping (обрезаются поля по бокам)
• anamorphic (изображение натягивается на имеющееся поле, сплющиваясь с боков)
• pan and scan (интелектуальный или интерактивный cropping)

Если исходный сигнал 4:3, а монитор 16:9, то можно использовать преобразования:

• pillar box (добавляются черные поля по бокам)
• stretched (изображение натягивается на имеющееся поле, растягиваясь в стороны)
• управляемое пользователем масштабирование
• управляемое пользователем панорамирование

Телевизоры 16:9 - это провокация изготовителей с целью "изъять излишки валюты":

• широкоэкранные фильмы снимаются не в пропорции 16:9, а в других, причём самых разных пропорциях (1.85, 2.35, ...), так что фильмы все равно будут покорёжены
• широкоформатные фильмы расчитаны на эффект "бокового зрения", а телевизор - не экран в кинотеатре, здесь головой не повертишь (проектор - другое дело)
• до сих пор половина фильмов выпускается в формате 4:3 (с "вплавленным" letter box), не говоря уж об обычных телевизионных передачах, которые на телевизоре 16:9 будут обрамлены по бокам чёрной траурной каймой (по напрасно потраченным деньгам ;)