TELEWIZJA

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

rozróżnia się: telewizję programową oraz telewizję użytkową (umożliwiającą 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 wyróżnia

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 również 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

różny jest dla poszczególnych systemów telewizyjnych, jednak większość obecnie produkowanych

telewizorów posiada dekoder dostosowany do odbioru programów nadawanych w różnych

standardach.

Systemy telewizyjne:

Systemy określające zasady i metody wytwarzania oraz przesyłania sygnałów telewizyjnych, a także

parametry tychże 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), uniezależnionym

od liczby linii wybierania (525 lub 625). Wyraźną poprawę jakości obrazu (porównywalną do obrazu

kinowego) oferują systemy HDTV (High Definition Television) o dużej 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, że stosuje się w nim modulację

kwadraturową podnośnej chrominancji, która umożliwia przesyłanie dwóch niezależnych sygnałów na

jednej fali nośnej. Istota modulacji kwadraturowej polega na tym, że dwie podnośne chrominancji o tej

samej częstotliwości są przesunięte względem siebie w fazie o 90 stopni. Obie te podnośne są

modulowane amplitudowo przez dwa niezależne 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 także

równy zeru. Poważną wadą systemu NTSC jest jego duża niestałość kolorów odbieranych obrazów

(NTSC - Never Twice the Same Colour ), gdyż system ten jest bardzo wrażliwy 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 wrażliwość na zniekształcenia fazowe, będące powodem nieprawidłowego

odtwarzania kolorów w systemie NTSC, przez przełączanie co jedną linię fazy sygnału podnośnej

modulowanej sygnałem różnicowym R-Y (zmiana fazy co linię). System PAL został opracowany w

Niemczech w 1963. Do zalet systemu PAL należą łatwość miksowania oraz następująca obok

kompensacji zniekształceń fazowych kompensacja także zniekształceń kwadraturowych.

System SECAM:

System SECAM (z francuskiego Séquentiel en Couleur ŕ Mémoire) jest systemem telewizji kolorowej

kolejno-równoczesnym. Oznacza to, że stale (w sposób ciągły ) jest przesyłany tylko sygnał

luminancji obrazu, a sygnały różnicowe przesyłane są kolejno co drugą linię analizy. W wyniku tego

powstaje kombinowany sygnał chrominancji, który na przykład dla linii n odpowiada sygnałowi

różnicowemu R-Y , a dla linii n+1 sygnałowi różnicowemu 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 różnicowy.

System SECAM jest najmniej wrażliwy na zniekształcenia fazy różnicowej i wzmocnienia

różnicowego. Podnośna chrominancji występuje również 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, można wyróżnić np. wybieranie liniowe zwykłe (kolejnoliniowe), wybieranie

międzyliniowe, wybieranie międzypunktowe, a każde z nich może być poziome lub pionowe.

Rozdzielczość pozioma:

Rozdzielczość obrazu telewizyjnego wyraża się maksymalną liczbą czaro-białych elementów obrazu

odtwarzanych w kierunku poziomym, określoną na odcinku o długości równej wysokości obrazu.

Zależy 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 wzdłuż

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 zależą od

tego, w jaki sposób przetwornik reaguje na promieniowanie o różnej długości fali. Jeżeli 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 także 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, niezależnych sygnałów elektrycznych. Otrzymuje się je przez jednoczesną analizę

przekazywanej sceny w trzech, różnych 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.

Każdy z trzech, niezależnych 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 służą 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 różnią 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 dłuższe 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 różnica 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 położenia 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 najwyższe 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 także mogą być wydzielane z

CSW za pomocą prostej dyskryminacji amplitudowej (rys. 2).

Rys. 2

Rozróż nienie składników CSS:

Rozróżnienie składników całkowitego sygnału synchronizacji może mieć charakter amplitudowy bądź

czasowy. Przy rozróżnieniu amplitudowym czasy trwania impulsów obu ciągów są jednakowe, różnią

się one natomiast poziomami. Ich rozdział w zespole odbiorczym (tzw. separacja) wymaga więc

zastosowania

zespołu

komparatorów

poziomów.

Przy

rozróżnieniu

czasowym

wartość

międzyszczytowa obu sygnałów pozostaje stała, natomiast czas trwania impulsu synchronizacji pola

tsV jest znacznie dłuższy 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 użytkowych. 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 dłuższy, tym łatwiejsza jest jego separacja, stąd zazwyczaj tsV = 2÷3 TH),

– różny dla każdego kolejnego półobrazu przedział czasu, oddzielający ostatni (w danym półobrazie)

impuls synchronizacji linii od przedniego zbocza impulsu synchronizacji pola.

Powyższym zakłóceniom procesu syntezy można 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 możliwy

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 róż nicowe:

Każdy z sygnałów obrazów barw podstawowych niesie uwikłaną informację o wszystkich cechach

przekazywanych świateł. Powoduje to znaczną wrażliwość 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, że w systemach je spełniających jednym z sygnałów transmisyjnych jest po

prostu sygnał luminancji Y. Ten właśnie sygnał, wyłącznie przetwarzany w torach telewizji

monochromatycznej,

umożliwia

prawidłową

syntezę

"odpowiedniościowego"

obrazu

monochromatycznego. Sygnał luminancji może 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 umożliwia "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 różnicowych. Zawierają one informację

wyłącznie o zabarwieniu przekazywanych świateł, co stwarza możliwość znacznego zawężenia ich

pasma (w stosunku do sygnału luminancji).

Każdy z sygnałów różnicowych można odtworzyć za pomocą dwóch pozostałych. Oznacza to, że

jeden z nich w telewizji programowej, uG-Y (o najmniejszych, statystycznie rzecz biorąc, wartościach)

może być pominięty w procesie transmisji. Ostatecznie zatem komplet sygnałów transmisyjnych

stanowią:

– sygnały luminancji uY o pełnym, przewidzianym wymaganiami standardu paśmie;

– sygnały różnicowe uR-Y i uB-Y o paśmie wyraźnie zawężonym 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 róż nicowe.

Sygnały wizyjne barw podstawowych, sygnał luminancji i sygnały różnicowe 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...

Złożenie 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 wyraża 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 złożonego z kolorowych pionowych pasów o nasyceniu 75%.