Глава 2
СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Система цветного телевидения — комплекс характеристик и параметров, определяющих особенности конкретного стандарта цветного телевизионного вещания. Система определяет способ передачи полной информации о цветности и яркости изображения передаваемого объекта от передающей телевизионной камеры до приемника.
В телевизионном вешании на поверхности Земли используются три системы цветного телевидения. Американская система NTSC (National Television System Committee — национальный комитет телевизионной системы) разработана и внедрена в США в 1953 г. Это первая система цветного телевидения, нашедшая практическое применение. Западногерманская система PAL (Phase Alternation Line — изменение фазы от строки к строке) разработана в ФРГ в 1963 г. в целях устранения недостатков системы NTSC. Советско-французская система SECAM (Sequence de Couleurs Avec Memoire — последовательная передача цветов с запоминанием) используется с 1967 г. В странах СНГ применяется вариант системы SECAM-IIIБ.
Существенная и принципиальная разница в устройстве систем цветного телевидения заключается в способах передачи цветной телевизионной информации от передающей камеры к приемнику. Поэтому под выражением «система цветного телевидения» в настоящее время понимают метод передачи сигнала по центральной части тракта цветного телевидения, т. е. способ передачи сигнала цветности. В основе построения всех систем цветного телевидения лежат следующие физические процессы.
1. Оптическое разложение передаваемого многоцветного изображения на три одноцветных изображения в основных цветах — красном R, зеленом G и синем В.
2. Преобразование трех одноцветных изображений R, G и В в электрические сигналы Er, Еg и Eb.
3. Образование электрического сигнала яркости (сигнал черно-белого изображения) Еу и так называемых цветоразностных сигналов Er-у Eg-y и Eb-y
Вычитание из сигнала основного цвета сигнала яркости формально означает, что цветоразностный сигнал содержит информацию только о цветности, но не о яркости. Поэтому главной особенностью цветоразностных сигналов является то, что на черно-белых и серых местах изображения они равны нулю, а это, в свою очередь, устраняет мелкоструктурную сетку от поднесушей частоты (помеху) на экране кинескопа.
Из трех составляющих R, G и В наибольшую интенсивность (59%) и широкую полосу частот имеет зеленый сигнал G. В этом смысле он очень близок к яркостному сигналу Y. Иными словами, если на черно-белый телевизор подать сигнал ЕС, то изображение на его экране будет довольно близко к изображению, получаемому от яркостного сигнала Еу. Сигналы Er и Еb требуют значительно меньшей полосы частот, чем сигнал Еg имеют меньшую интенсивность (соответственно 39 и 11%). Поэтому выгодно не передавать самый интенсивный и широкополосный сигнал из трех цветоделенных сигналов. Во всех системах цветного телевидения при передаче формируют только красный Еr-y и синий Eb-y цветоразностные сигналы, а зеленый сигнал Еg-у восстанавливается в самом телевизоре.
4. Передача и прием трех электрических сигналов изображения Еу, Er-y и Eb-y по линиям связи.
5. Обратное преобразование электрических сигналов Еу, Er-y и Eb-y и выделение из них сигналов Еу, Er, Еg и Еb.
6. Преобразование электрических сигналов Еу, Er, Еg и Еb в три одноцветных оптических изображения — красного R, зеленого G и синего В цветов.
7. Смешение одноцветных составляющих R, G и В в одно многоцветное изображение.
В спутниковом телевизионном вешании используются системы NTSC, PAL и SECAM (аналоговые), существенно отличающиеся от наземных. Для того чтобы оценить преимущества «чисто» спутниковых систем цветного телевидения, целесообразно изучить принципы кодирования сигнала цветности в аналоговых системах телевизионного вещания.
В системах NTSC, PAL и SECAM используют разные по частоте поднесущие и виды их модуляции цветоразностными сигналами, что и является основным отличием одной системы от другой.
В системе SECAM постоянно передается только сигнал яркости, а в каждой строке — один из сигналов цветности на поднесущей. Например, в 1-й строке передается красный сигнал, во 2-й — синий, в 3-й снова красный и т. д. Поэтому систему SECAM называют последовательно-одновременной (рис. 2.1).
Для модуляции поднесушей цветоразностными сигналами используется частотная модуляция. Значение поднесущей постоянно лишь в состоянии покоя (при отсутствии модуляции), и точно уложить составляющие спектра сигнала цветности в промежутки между гармониками сигнала яркости не представляется возможным.
Поднесущие частоты находятся внутри спектра яркостного сигнала, поэтому при приеме цветного изображения на экране телевизора становятся заметными помехи от под-несущих. Эти помехи особенно интенсивны на насыщенных элементах изображения и на границах цветовых переходов. Они просматриваются в виде чередующихся вдоль строк мелких светлых и темных участков. Следовательно, в телевизионном приемнике необходимо предусмотреть значительное ослабление в области частот, где расположены сигналы цветности. Режекция (вырезание) части спектра сигнала в области поднесущих частот осуществляется с помощью полосовых фильтров. При наличии эффективно действующих режекторных фильтров цветное изображение воспри-
нимается как более «мягкое» — без видимых помех от под-несущих и без разнояркости строк (рис. 2.2).
Еще одним недостатком названных систем цветного телевидения являются перекрестные искажения между каналами цветности и яркости или более коротко помехи из «яркости в цветность». Они проявляются в виде окрашенного муара, цвет которого зависит от содержащейся в мешающем сигнале основной частоты.
В аналоговых системах также существуют перекрестные искажения между каналами цветности, образующиеся в результате их паразитных связей. В системе SECAM возникает дополнительная помеха из-за биений поднесущих частот сигналов цветности. Она имеет вид структуры, плывущей вверх по экрану, и создает искажения насыщенности и цветового тона.
Рассмотрим основные различия систем цветного телевидения NTSC и PAL сравнительно с системой SECAM.
Системы NTSC и PAL — одновременные, так как в каждый момент времени они передают все три сигнала: яркостный и два цветоразностных. Однако вместо двух поднесущих используется одна с частотой 3,58 МГц в системе NTSC и 4,43 МГц в системе PAL.
Модуляция по амплитуде поднесущей двумя цветоразностными сигналами производится методом квадратурной модуляции, при которой поднесущая делится на две составляющие, сдвинутые одна относительно другой по фазе
на 90°. Одна составляющая модулируется красным цвето-разностным сигналом, другая — синим. При этом несущая частота промодулированных сигналов полностью подавляется и остаются лишь боковые полосы частот.
Для передачи информации о цвете в системе NTSC применяются не цветоразностные сигналы Еr-у и Eb-y, а их линейные комбинации — сигналы Eq и Еj. Это вызвано тем, что неискаженная и независимая передача двух сигналов, передаваемых методом квадратурной модуляции, возможна при сохранении квадратуры, т. е. сдвига между сигналами, равного 90°.
Номинальная ширина полосы частот яркостного сигнала составляет 4,2 МГц. Цветовая поднесущая fц модулируется двумя цветоразностными сигналами Eq и Еj. Сигнал Eq передается в полосе видеочастот 0...0,6 МГц и занимает относительно цветовой поднесущей обе боковые полосы. Сигнал Ej передается в полосе видеочастот 0..1.4 МГц с частично подавленной верхней боковой полосой (рис. 2.3).
Система цветного телевидения PAL, в своей основе содержащая все идеи американской системы NTSC, является дальнейшим ее усовершенствованием и отличается оригинальным способом устранения фазовых искажений. Достигается это тем, что поднесущая, модулированная красным цветоразностным сигналом, изменяет свою фазу на обратную при переходе с одной строки к следующей. Другая составляющая, модулированная синим цветоразностным сигналом, имеет постоянную фазу. Компенсация фазовых
искажений происходит путем сложения сигналов двух соседних строк, фазовые сдвиги которых имеют одинаковую величину, но противоположные знаки.
Таким образом, фазовые искажения результирующего цветового сигнала, независимо от причины их появления, изменяясь на противоположные в каждой следующей строке и соответственно в каждом следующем кадре, всегда взаимно компенсируются. В итоге цветовой тон передаваемого изображения сохраняется. В этом заключается основное преимущество системы PAL по сравнению с системой NTSC.
В результате изложенного можно сделать следующие выводы. В системах NTSC, PAL и SECAM с целью передачи полной информации в одном канале используется принцип наложения спектра сигнала цветности на поднесущей частоте на спектр сигнала яркости. В телевизионном приемнике практически невозможно разделить эти спектры без взаимных перекрестных искажений. К тому же снижается четкость изображения (различимость мелких деталей) из-за режекции части спектра сигнала черно-белого изображения в участке размещения поднесущей сигнала цветности.
Аналоговые методы передачи цветного изображения накладывают определенные ограничения на качество сигнала, что существенно снижает возможности развития телевизионного вешания. Одной из главных причин этих ограничений является низкая помехозащищенность аналогового сигнала, так как при прохождении всего телевизионного тракта он подвергается воздействию шумов и других помех. А вещательная телевизионная сеть представляет собой очень длинную цепь устройств преобразования и передачи сигналов. Особенно это относится к системам спутникового телевидения.
Полный цветовой сигнал для передачи по спутниковому телевидению создается абсолютно так же, как изложено выше для наземного телевизионного вещания. Однако в спутниковом вещании существует возможность улучшения качества передаваемого и принимаемого сигналов в связи с использованием частотной модуляции несущей частоты передатчика изображения.
Преимуществами частотной модуляции несушей частоты передатчика по сравнению с амплитудной является меньшая чувствительность к помехам и шумам, низкая чувствительность к нелинейности динамических характеристик каналов передачи сигналов, а также стабильность передачи на большие расстояния. Эти преимущества объясняются постоянством уровня в каналах передачи, возможностью проведения частотной коррекции предыскажений, положительно влияющих на отношение сигнал/шум.
Благодаря применению частотной модуляции несушей частоты телевизионного передатчика, ширине полосы канала передачи со спутника в 27 МГц качество изображения аналоговых систем оказывается выше, чем при наземном телевизионном вешании.
В настоящее время в спутниковом телевидении происходит переход от аналоговых на более совершенные системы передачи цветных телевизионных сигналов, которые основаны на принципе временного уплотнения сигналов яркости, цветности и преобразованных в так называемую «цифровую форму». Промежуточным звеном здесь является комбинированный аналогоцифровой стандарт, получивший название MAC (Multiplexed Analogue Components — система уплотнения аналоговых компонент).
Практическое применение получили несколько вариантов системы MAC. Для телевизионных систем стандартов разложения изображения на 625 строк и 50 полей, принятых в странах Западной Европы, Беларуси, России, на Украине и др., используется система D2-MAC. D2 означает дуобинарное (трехуровневое) кодирование. В отличие от бинарного (двухуровневого) в нем логической «1» соответствует импульс положительной или отрицательной полярности. Логическому «0» соответствует импульс с нулевой амплитудой.
Систему D2-MAC можно разделить на две части: аналоговую и цифровую. Аналоговые сигналы яркости и цветности передаются в течение активной строки в сжатом во времени виде, а цифровая часть сигнала (звуковое сопровождение, сигналы синхронизации, телетекст и др.) объединены в пакеты, передаваемые в течение обратного хода разверток по строкам и полям.
Начальную часть строки (17,2 мкс) занимает один из цветоразностных сигналов Еr-у или Eb-y которые передаются поочередно через строку. Далее следует яркостная составляющая видеосигнала, которая занимает 34,4 мкс (рис. 2.4).
Общим для всех вариантов систем MAC является способ передачи аналоговых сигналов яркости и цветности с предварительным сжатием временного масштаба этих сигналов:
для строки яркостного сигнала — в 1,5 раза, для строк сигналов цветности — в 3 раза.
Сжатие аналогового сигнала осуществляется путем стробирования с тактовыми частотами: 6,75 МГц для сигналов цветности и 13,5 МГц для яркостного сигнала. Полученные сигналы накапливаются в запоминающем устройстве, после чего происходит их ускоренное считывание с более высокой тактовой частотой — 20,25 МГц. Полученные цифровые данные передаются в дуобинарном коде.
По сравнению с традиционными аналоговыми системами
в D2-MAC отсутствуют перекрестные искажения сигналов яркости и цветности; значительно снижены шумы в канале цветности благодаря его переводу в область низких частот (нет необходимости производить модуляцию поднесущей частоты цветоразностными сигналами); повышена разрешающая способность изображения за счет более широкой полосы частот сигналов яркости и цветности, отсутствию необходимости режекции в яркостном сигнале в области отсутствующих поднесущих частот; сигналы синхронизации, звукового сопровождения, телетекста и другой информации передаются в цифровой форме.
В результате стандарт цветного телевидения MAC позволяет получить улучшенное изображение на экране телевизора даже по сравнению со спутниковыми системами NTSC, PAL и SECAM.
В настоящее время в спутниковое вещание начала внедряться еще более современная система MPEG-2. Это сокращенное название организации «Moving Picture Expert Group». (Экспертная группа движущихся изображений). Эта система цифрового телевидения (Digital TV) также основана на уплотнении (компрессии) видеосигнала.
Так что же такое «компрессия видеосигнала»? Чтобы понять смысл этой операции, представим баржу, плывущую по реке от фермы до городского рынка. Стоимость доставки пшеницы будет определяться тем, сколько места она займет на барже. Но у вас есть волшебная машина, которая может
сжать пшеницу, и цена доставки уменьшится вдвое. Когда вы доплывете до рынка, машина вернет зерну первоначальный размер, и вы его продадите.
Цифровая компрессия — «волшебная машина» -для телевизионного сигнала, которая его сжимает, вследствие чего он занимает меньшую полосу частот в спутниковом канале связи по сравнению с несжатым (аналоговым).
При стоимости аренды спутникового канала свыше 200 тыс. долл. США в месяц эффект от применения компрессии составляет более 1 млн. долл. в год. Дефицит спутниковых каналов и связанный с этим рост цен на услуги спутникового вещания и связи делают применение технологии цифровой видеокомпрессии особенно выгодной. Поэтому компании, эксплуатирующие спутники, однозначно выиграют от перехода на новую технологию независимо от того, начинают ли они осваивать спутниковое вешание или уже ищут возможности его расширения.
Типичный цифровой некомпрессированный видеосигнал представляет собой информационный поток 150 Мбит/с (бит — наименьшая единица информации). Алгоритм (последовательность действий или команд, выполнение которых приводит к желаемому результату) компрессии основан на том факте, что видеосигнал состоит из отдельных элементов изображения или пикселов. Каждый кадр содержит десятки тысяч пикселов. Видеосигнал компрессируется одним из двух способов: внутрикадровым или межкадровым. Внутрикадровая компрессия происходит внутри каждого отдельного кадра, а межкадровая использует последовательность кадров.
При внутрикадровой компрессии происходит сжатие отдельного кадра безотносительно ко всем остальным. Поскольку компрессия каждого кадра происходит заново, даже если изменения в следующем кадре минимальны, то степень сжатия информационного потока получается ограниченной.
Межкадровая компрессия основана на том, что большая часть изображения остается неизменной от кадра к кадру. Аппаратура цифровой компрессии проводит сравнительный анализ кадровой последовательности и пересылает только информацию об изменениях в кадрах, а не сами кадры. Это позволяет значительно уменьшить цифровой поток и достигать больших коэффициентов компрессии по сравнению с внутрикадровым сжатием.
После того как аналоговые сигналы — звуковой, видео, телетекст, служебная информация — подвергаются цифровой обработке и сжатию, они пересылаются по спутниковым каналам связи для распространения. На выходе приемной аппаратуры происходит обратное преобразование: сигналы разделяются на звуковой, видео, телетекст, служебную информацию и принимают первоначальную аналоговую форму.
В отличие от аналоговой технологии цифровая видеокомпрессия обеспечивает устойчивый, высококачественный сигнал по всему тракту передачи и приема. Поскольку цифровой сигнал не подвержен преобразованиям как аналоговый, то телевизионного приемника достигает тот же сигнал, который выходит из студии.
Начинается новая эра дальнейшего развития спутникового телевизионного вешания. Для приема передач в системе MPEG-2 необходима совершенно новая и пока очень дорогостоящая аппаратура. Но настоящее и будущее — за спутниковым цифровым телевидением.
Так например, 23 ноября 1998 г. с базы ВВС США (мыс Канаверал, штат Флорида) с помощью американской ракеты «Дельта-2» в позицию 36° Е запущен принадлежащий России спутник BONUM-1 (МОСТ-1), который передает 17 программ телевидения в цифровом виде. Транспордеры ведут передачи в Ки диапазоне на частотах 12, 226 ГГц и выше с круговой поляризацией (попеременно чередуются L и R поляризации).