Sistemul de televiziune în culori NTSC Sistemul de televiziune în culori NTSC a fost elaborat în SUA de către Comitetul pentru sistemul de televiziune naţional ( National Television System Committee = NTSC) şi a fost introdus în exploatare în anul 1954 în SUA şi apoi în Japonia, Canada şi alte circa 40 de ţări.

NTSC este primul sistem de TVC compatibil utilizat în exploatare şi care foloseşte modulaţia în amplitudine în cuadratură, MAQ, pentru transmiterea informaţiei de culoare. Pentru a putea înţelege modul de alegere a semnalelor diferenţă de culoare vom face apel la o serie de experienţe legate de percepţia culorilor. Astfel s-a constatat că ochiul percepe în mod diferit detaliile obiectelor în funcţie de nuanţa lor. De exemplu s-a constatat că pe măsură ce se micşorează dimensiunea detaliilor, culorile acestora nu mai corespund culorilor reale ci sunt percepute de ochi ca un amestec de culori ce se apropie de aşa numita axă I, care se situează în domeniul portocaliu şi bleu (fig. 16). Micşorând detaliile în continuare, ochiul începe să perceapă acromatic, adică aparent percepţia

culorilor se apropie de alb, în primul rând dispărând culoarea albastră. Rezultă, aşadar, necesitatea transmiterii cât mai fidele a detaliilor cu nuanţe de portocaliu şi bleu, care îşi păstrează culoarea şi pentru dimensiuni mici. Ortogonal (90˚ din punct de vedere al modulaţiei în cuadratură) faţă de axa I se determină axa Q. În apropierea axei Q sunt situate culori pentru care ochiul este mai puţin sensibil

Fig. 16. Triunghiul culorilor şi faza acestora în reprezentare MAQ utilizând semnalele EU şi EV

Concluzie: Într-un sistem de televiziune color, culorile după axa I ar trebui transmise cu o bandă de frecvenţe mai mare în timp ce culorile plasate în apropierea axei Q pot fi transmise cu o bandă de frecvenţe mai mică. Pe de altă parte, tot din fig. 16., se observă că axele I şi Q sunt rotite cu aproximativ 30˚ faţă de axele R şi respectiv B ( axele R şi B unesc albul cu vârfurile corespunzătoare ale triunghiului culorilor şi reprezintă exact semnalele diferenţă ER-y şi EB-y respectiv EV şi EU ). 1. Semnalul compozit NTSC Semnalul video complex color din sistemul NTSC se compune din :

EY – semnalul de luminanţă . EC – semnalul de crominanţă obţinut prin MAQ. EF – semnalul de sincronizare a subpurtătoarei de culoare; este necesar pentru

sincronizarea oscilatoarelor de la recepţie astfel încât să se realizeze o demodulare MAQ sincronă.

15

ES – semnalul de sincronizare linii şi cadre; uneori acesta pot fi cosiderat ca fiind inclus în EY.

1.1. Semnalul de luminanţă În NTSC semnalul de luminanţă se calculează cu aceeaşi relaţie ca şi în cazul celorlalte sisteme de televiziune în culori compatibile : EY = 0,30ER + 0,59EG + 0,11EB. 1.2. Semnalul de crominanţă În NTSC, în locul semnalelor diferenţă de culoare ER-Y şi EB-Y se folosesc semnalele EI şi EQ care rezultă din primele, în urma compresiei cu factorii kR şi kB (deci EU şi EV ) şi aplicării

unei rotaţii cu un unghi de 33°. Semnalele EI şi EQ se pot calcula din EU şi EV (respectiv din EB-Y şi ER-Y ) determinând proiecţiile acestora pe noile axe de coordonate, fig. 17., adică :

Fig.17. Reprezentarea vectorială a semnalelor EI şi EQ

EI = EVcos33° - EUsin33° EQ = EVsin33° + EUcos33° sau EI = kRER-Ycos33° - kBEB-Ysin33° EQ = kRER-Ysin33° + kBEB-Ycos33° (1) Se observă că proiecţiile lui EU şi EV pe axa EI sunt de sens opus, de unde şi semnul minus.

Înlocuind valorile sin 33° = 0,545 , cos 33° = 0,839 , kR = 0,877 şi kB = 0,493 se obţin : EI = 0,74ER-y – 0,27EB-yEQ=0,48ER-y + 0,41EB-y sau încă : EI = 0,60ER - 0,28EG – 0,32EB (2) EQ = 0,21ER – 0,52EG + 0,31EB Ultimele relaţii arată că EI şi EQ pot fi calculate direct din semnalele primare de culoare. În conformitate cu cele prezentate în primul capitol, semnalul EI se transmite cu banda de 1,2 MHz iar EQ cu bandă 0.6MHz. În NTSC semnalul de crominanţă are forma EC = EIcos(ωNt+33°) + EQsin(ωNt+33°) Mai poate fi pus şi sub forma

EC=|EC|sin (ωNt + φ + 33°) unde 2Q

2IC EEE += şi

Q

I

EE

arctg=ϕ (3)

Se observă că rotaţia de 33˚ s-a păstrat şi în determinarea semnalului de crominanţă.

16

1.3. Alegerea frecvenţei subpurtătoare de culori în NTSC Banda de frecvenţă pentru EI este 1.2 MHz, iar pentru EQ este 0.6MHz. În urma modulaţiei în cuadratură, EQ (banda mai mică) este transmis sub formă MA-PS cu ambele benzi laterale, dar pentru EI se transmite banda inferioară întreagă şi banda superioară parţial atenuată – se poate alege astfel purtătoarea de culoare de frecvenţă ceva mai mare pentru a deplasa spectrul semnalului de crominanţă spre . Pentru ca între limita canalului (4.5MHz pentru NTSC) şi frecvenţa subpurtătoare de culoare fN (indicele N de la NTSC) să fie o margine de minim 0,6MHz, este necesar să se adopte o valoare fN = 3,45÷3,75 MHz. De asemenea, din condiţiuni de întreţesere a spectrelor pentru semanlele de luminanţă şi semnalele crominanţă, se impune alegerea frecvenţei fN de forma multiplu impar de fH/2 sau „cu offset de fH/2” adică fN = (2n+1)*fH/2 ( În perioada în care s-a elaborat NTSC, nefiind circuite moderne de divizare, se foloseau divizări simple exprimate prin produse de numere prime ce nu depăşesc 13. S-a ales astfel

2f)1375(

2f455f HH

N ⋅⋅⋅=⋅= , adică fN = 3.579545 MHz. (4)

(pentru NTSC fH = 525 · 30 = 15750 Hz ) În instalaţii se foloseşte un oscilator cu cuarţ pentru frecvenţa fN şi apoi, prin divizări repetate, se obţin semnale de frecvenţele fH şi fV. Spectrul semnalului şi banda ocupată de canalul video color NTSC este prezentată în fig.18.

Fig 18. Canalul TVC în sistemul NTSC

17

Fig. 19. Spectrul semnalului NTSC pentru cazul a trei imagini distincte.

Rezoluţia orizontală : 600 KHz/diviziune. Se observă benzile ocupate de semnalul de luminanţă, semnalul de crominanţă şi sunetul asociat.

18

1.4. Semnalul de sincronizare a culorii La recepţie, pentru a se realiza demodularea sincronă, este necesar să se refacă subpurtătoarea de culoare fN. Frecvenţa şi faza acesteia trebuie să fie identice cu cele de la modulare. Pentru

a realiza această cerinţă, în componenţa semnalului SVCC se transmite pe timpul intervalului impulsului de stingere pe orizontală – după impulsul de sincronizare – un semnal de sincronizare a culorii, fig.20., sub forma unor salve de sinusoide (cuprind 8-10 sinusoide). Aceste salve, numite şi burst au parametrii :

- frecvenţa exact fN. - faza +180° în raport cu axa B-Y (optim din punct

de vedere al reducerii vizibilităţii subpurtătoarei pe ecranul TV).

- amplitudine astfel încât valoarea vârf la vârf a semnalului sinusoidal să fie egală cu impulsul de sincronizare.

Fig. 20 Salve de sincronizare

- pe timpul impulsului de stingere pe verticală nu se transmit salve de sincronizare.

Semnalul de sincronizare se poate scrie de forma EF = |EF| sin(ωN t+180°) = - |EF| sin ωN t (5) Spectrul său constă în subpurtătoarea de culoare de frecvenţa fN şi componente laterale distanţate cu frecvenţa fH ; în consecinţă spectrul său este cuprins în spectrul semnalului EQ. 1.5. Semnalul de sincronizare pe orizontală şi verticală Din considerente de compatibilitate, semnalul de stingere şi de sincronizare pe linii şi pe semicadre în cazul sistemului NTSC color coincide cu cel de la televiziunea alb-negru. Acest semnal se va nota cu ES . Este posibil ca, în multe cazuri de implementare practică, acest semnal să fie în primul rând însumat cu semnalul de luminanţă (uneori se consideră chiar inclus în acesta) şi abia apoi să se realizeze sumarea cu celelate două semnale (de crominanţă şi de sincronizare a purtătoarei de culoare) pentru a se obţine în final semnalul compozit. În final reamintim forma completă a semnalului videocomplex color NTSC: ENTSC = EY + EIcos(ωNt+33°) + EQsin(ωNt+33°) + |EF| sin(ωN t+180°) + ES

19

2. Structura codorului NTSC În fig. 21. se prezinta schema bloc pentru codorul NTSC.

Fig. 21. Codorul NTSC

Semnalele primare de culoare ER , EG , EB obţinute de la camera tricrom sunt trecute prin corectorii de γ şi ulterior se aplică unor circuite de matriciere care permit calculul semnalelor specifice NTSC, adică semnalul de luminanţă EY

şi cele două semnale diferenţă de culoare, EI şi EQ. Se observă că semnalele EY , EI sunt întârziate. Acest lucru este necesar deoarece trecerea semnalelor EI şi EQ prin filtre trece jos este însoţită de întârziere, cu atât mai mare, cu cât frecvenţa de tăiere a filtrelor este mai joasă. Pentru a realiza coincidenţă în timp pentru cele trei semnale care ajung la sumatorul final , trebuiesc întârziate numai EY şi EI până egalează întârzierea lui EQ (filtru de 0,6MHz) şi anume : τI = 0,5μs ; τy=0,7μs (valori aproximative). Pe calea de crominanţă se observă că EI şi EQ sunt multiplicate cu cos(ωNt+33°) şi respectiv cu sin(ωNt+33°) după care sunt summate în primul sumator şi astfel formează semnalul de crominanţă. În partea de jos a codorului este prezent un oscilator foarte precis, pe frecvenţa purtătoarei de culoare fN = 3.579545 MHz, care este prevăzut (nefigurat în fig. 21) cu circuite defazoare asfel încât să se obţină concomitent cos(ωNt+33°) , sin(ωNt+33°) şi sin(ωNt+180°). Printr-un divizor de frecvenţă - vezi relaţia (4) – se obţin semnalele de frecvenţa linii fH şi apoi frecvenţa semicadre fV. Aceste semnale comandă circuitul sincrogenerator care formează impulsurile de stingere şi sincronizare BH+V şi SH+V – în fapt semnalul ES. Tot circuitul sincrogenerator este cel care comandă circuitul poartă astfel încât acesta să fie deschis numai pe perioada burst-ului timp în care va permite trecerea semnalului sin(ωNt+180°) – în fapt semnalul de sincronizare a subpurtătoarei de culoare pe care l-am notat EF.

20

3. Structura decodorului NTSC

Fig. 22. Decodor NTSC

Într-un receptor TV semnalul recepţionat parcurge blocul de radio-frecvenţă , amplificatorul de frecvenţă intermediară şi, după detecţia video (implementată în general sub forma unui bloc de detecţie sincronă), se obţine semnalul video complex color SVCC. Acesta este aplicat blocului decodor de culoare în scopul obţinerii celor trei semnale primare de culoare ER , EG şi EB cu care va fi comandat dispozitivul de reproducere a imaginii TV – tubul cinescop color sau display-urile cu LCD sau cu plasmă. În blocul decodor de culoare semnalul compozit parcuge două trasee diferite: calea de luminanţă şi calea de crominanţă. Calea de luminanţă Pe calea de luminanţă semnalul este trecut în primul rând printr-un filtru de rejecţie centrat pe frecvenţa subpurtătoare de culoare fN=3,579MHz (micşorează unele perturbaţii ce se prezintă sub forma unei structuri fine de puncte). Apoi semnalul este întârziat cu τy=0,7μs (pentru a compensa întârzierile pe care celelalte semnale le suferă la trecerea prin filtrele trece jos) şi în final este amplificat.

21

Calea de crominanţă Pe calea de crominanţă, semnalul compozit este trecut prin circuitele:

FTB - filtru trece bandă centrat pe frecvenţa fN=3,579MHz şi cu o bandă de trecere de cca. 2,5 MHz; acesta selectează semnalele de crominanţă EC şi cel de sincronizare EF.

AC+F – un bloc amplificator cu un factor de amplificare de valoare reglabilă automat şi manual. Prin modificarea manuală a factorului de amplificare se măreşte amplitudinea semnalului de crominanţă |EC| şi astfel se poate modifica saturaţia culorii. Blocul amplificator este blocat (de către un semnal nefigurat în fig. 22.) în cazul semnalelor alb-negru sau în cazul în care, în ciuda amplificării automate, semnalul de crominanţă nu atinge un nivel acceptabil pentru a reda corect culorile. Prin blocarea acestui amplificator, semnalele EI şi EQ devin nule şi imaginea redată va fi alb-negru (vezi observaţia finală 1.) Se acceptă premiza că în cazul unui semnal video foarte slab, informaţia color este denaturată şi atunci este de preferat să se blocheze calea de crominaţă – ochiul uman este mai tolerant la imagini alb-negru.

Cele două detectoare sincrone DSI şi DSQ urmate de cele două filtre de joasă frecvenţă, FTJI şi FTJQ realizează detecţia specifică modulaţiei în cuadratură , MAQ. Semnalele de frecvenţa purtătoarei fN, necesare detecţiei sincrone, cos(ωNt+33°) şi sin(ωNt+33°), se obţin de la un oscilator local urmat de două circuite defazoare.

În urma detecţiei sincrone, la ieşirile celor două filtre se obţin semnalele diferenţă de culoare EI şi EQ specifice sistemului NTSC. Semnalul EI necesită o întârziere suplimentară cu τI=0,5μs comparativ cu EQ deoarece acesta din urmă are frecvenţa de tăiere a filtrului trece jos mai mică.

Matricea de calcul finală primeşte la intrare semnalele Ey,EI,EQ şi calculează semnalele primare de culoare ER, EG,ER . Setul de relaţii folosite la calcul este :

ER = +0,96EI + 0,62EQ + Ey EG = - 0,27EI - 0,65EQ + Ey EB = - 1,11EI + 1,70EQ + Ey (6)

Aşa cum sugerează setul de relaţii (6), calculul are loc în două etape: mai întâi se calculează semnalele diferenţă de culoare ER-y, EG-y şi EB-y şi apoi, la toate trei semnalele diferenţă de culoare se adună semnalul de luminanţă Ey. În final eventual se schimbă polaritatea semnalelor ER, EG,ER aşa cum necesită comanda comanda pe catod a tuburilor cinescop color (comandă cu semnal de tip “negativ” – negru la valori mari ale tensiunii).

Fig. 23. Detaliu privind realizarea matricii de calcul final

22

Refacerea purtătoarei de culoare În scopul realizării unei detecţii sincrone corecte, semnalele cos(ωNt+33°) şi sin(ωNt+33°) , generate local, trebuie să fie exact în fază cu cele folosite la codare. Acest lucru se realizează astfel : pe baza semnalului de sincronizare linii SH reconstituit la sincrogeneratorul din receptor, se formează cu ajutorul unui formator de impulsuri, un semnal ce corespunde poziţiei burstului de sincronizare. Acest semnal de o formă particulară (de aceea numit şi „sandcastle”) validează poarta prin care trec numai salvele de sincronizare către comparatorul de fază şi frecvenţă. Oscilatorul comandat şi comparatorul de fază sunt conectate într-o buclă de reacţie ce asigură calarea primului pe semnalul de sincronizare - buclă PLL. Urmează circuitele de defazare care reconstituie exact cele două semnale necesare detecţiei sincrone. Sistemul NTSC este foarte sensibil la apariţia unor erori neliniare, de fază Δφ, în cadrul semnalului de crominaţă, EC=|EC|sin (ωNt + φ + Δφ + 33°) deoarece aceste erori neliniare nu pot fi eliminate prin mijloace obişnuite. Erorile de fază se vor manifesta prin erori de nuanţă în transmiterea imaginii color. Din această cauză, în primul bloc defazor (cel care introduce un defazaj de 57o) este prevăzută o comandă manuală prin care utilizatorul uman poate modifica faza semnalelor ortogonale reconstituite şi prin aceasta poate corecta nuanţa imaginii color în funcţie de percepţia proprie. Observaţii finale: 1. Dacă, după efectuarea tuturor calculelor, semnalele diferenţă de culoare EG-y, ER-yşi EB-y

rezultă egale, EG-y = ER-y = EB-y , atunci după însumarea cu EY (vezi fig. 23.) rezultă ER=EG=EB adică o imagine alb-negru !! În particular, pentru cazul EI şi EQ nule (de exemplu amplificatorul AC+F blocat) rezultă EG-y = ER-y = EB-y = 0 şi deci iarăsi o imagine alb-negru.

2. Reglajul independent al amplificării pentru semnalul de luminanţă permite modificarea saturării pentru imginea color redată, şi anume:

- Dacă ER-y,EG-y,EB-y sunt neglijabili faţă de Ey (amplificare mare numai pentru EY), rezultă culori aproape de alb – foarte pastelate.

- Dimpotrivă, dacă ER-y,EG-y,EB-y rezultă mult mai mari decât Ey (amplificare mică pentru EY),, imaginea redată va avea culori saturate (pure sau vii).

3. Decodorul prezentat are drept principal neajuns faptul că unele componente de înaltă frecvenţă ale semnalului de luminanţă sunt în mod eronat interpretate drept componente ale semnalului de crominanţă (evident cele selectate de filtrul trece bandă de pe calea de crominanţă). O variantă îmbunătăţită a decodorului NTSC prevede utilizarea unor filtre comb pentru a separa semnalul de luminanţă de cel de crominanţă (vezi şi paragraful “filtre comb” ).

23