Вещательные системы цветного телевидения

NTSC

Телевизионный стандарт устанавливает основные параметры систем ТВ-вещания, такие, как телевизионная развертка (способ и число строк разложения, формат и частота кадров и т.д.); параметры радиосигналов для передающей телевизионной станции; ширина полосы частот радиоканала; характеристики телевизора; состав и параметры сигнала яркости и цветоразностных сигналов, способ модуляции и т.д.

Разработка собственного государственного стандарта требовала гигантских материальных ресурсов. США менее других стран были обескровлены Второй мировой войной, да и у населения было достаточно средств для приобретения новых телеприемников. Национальным комитетом телевизионных систем (National Television System Committee) в 1953 г. был утвержден совместимый стандарт, и в США началось регулярное вещание в системе NTSC. Первые телевизоры, отвечающие данному стандарту, были настолько сложны, что им требовалась еженедельная настройка специалистом. Американцы не хотели покупать дорогие и капризные телеприемники, компании продавали их ниже себестоимости, тем не менее массовым цветное ТВ в США стало только в середине 60-х гг. К моменту внедрения цветного стандарта у населения было 28 млн. черно-белых телеприемников.

В формировании изображения участвуют один сигнал яркости и два цветности. Сигнал цветности присутствует в каждой строке. Использование квадратурной модуляции позволяет одновременно передавать два цветоразностных сигнала. Системе присуща высокая помехоустойчивость и хорошая цветопередача благодаря эффективному разделению сигналов яркости и цветности. Полный кадр формируется двумя полукадрами (полями), в системе принята чересстрочная развертка. Недостатком системы, который может заметить зритель, являются цветоискажения на ярких и темных участках одинаково окрашенного объекта. Как известно, человеческий глаз особенно остро видит искажения белого цвета и оттенков кожи лица. Например, если одна часть лица будет освещена очень ярко, а другая будет в тени, зритель увидит зеленый оттенок в светлых и красный в недостаточно освещенных участках лица.

Основные технические характеристики NTSC:

Разрешение - 525 строк.

Количество кадров в секунду - 30.

Количество полей - 60 (точнее, 59.94).

Развертка луча чересстрочная (интерлейсинг).

Стандарт NTSC принят в 18 странах: США, Канаде, Японии, странах Латинской Америки, Филиппинах, Южной Корее.

Система NTSC - первая система ЦТ, нашедшая практическое применение. Разработана в США и принята для вещания в 1953 году. При создании системы NTSC были разработаны основные принципы передачи цветного изображения, которые в той или иной степени использованы во всех последующих системах.

В системе NTSC ПЦТС содержит в каждой строке составляющую яркости и сигнал цветности, передаваемую с помощью поднесущей, лежащей в полосе частот сигнала яркости. Поднесущая промодулирована в каждой строке двумя сигналами цветности Еr-y и Eb-y. Чтобы сигналы цветности не создавали взаимных помех, в систему NTSC применена квадратурная балансная модуляция.

Существует два основных значения поднесущей цветности системы NTSC: 3.579545 и 4.43361875 МГц. Второе значение является неосновным и используется в основном в видеозаписи для использования общего с системой PAL канала записи-воспроизведения.

Система NTSC имеет ряд достоинств, среди которых: высокая цветовая четкость пpи относительно узкополосном канале передачи; структура спектров сигналов позволяет эффективно разделять информацию с помощью гребенчатых цифровых фильтров. Декодер NTSC относительно прост и не содержит линии задержки.

Вместе с тем системе NTSC присущи и недостатки, главным из которых является ее высокая чувствительность к искажениям сигнала в канале передачи.

Искажения сигнала в виде амплитудной модуляции (AM) называются дифференциальными искажениями. В результате таких искажений цветовая насыщенность ярких и темных участков получается разной. Эти искажения нельзя устранить с помощью цепи автоматической регулировки усиления (АРУ) сигнала цветности, так как различия в амплитуде цветовой поднесущей проявляются в пределах одной строки.

Искажения в виде фазовой модуляции цветовой поднесущей сигналом яркости называют дифференциально-фазовыми искажениями. Они вызывают изменения цветового тона в зависимости от яркости данного участка изображения. Например, человеческие лица окрашиваются в красноватый цвет в тенях и в зеленоватый - на освещенных участках.

Чтобы уменьшить заметность дифференциально-фазовых искажений, в телевизорах NTSC предусмотрен оперативный регулятор цветового тона, который позволяет делать более естественную окраску деталей с одинаковой яркостью. Однако искажения цветового тона более ярких или более темных участков при этом возрастают.

Высокие требования к параметрам канала передачи приводят к усложнению и удорожанию аппаратуры NTSC или, если эти требования не выполняются, к снижению качества изображения. Основной целью при разработке системы PAL и SECAM было устранение недостатков системы NTSC.

SECAM

SECAM (Sequential Couleur avec Memoire, Sequential Color Memory) - система последовательной передачи цветов с памятью.

Перед советскими специалистами была поставлена трудная задача разработки собственного ТВ-стандарта. Московский телецентр с 1948 г. вел вещание с разложением в 625 строк, разработанным С.И. Катаевым и С.В. Новаковским.

В 1954 г. нашими специалистами был разработан вариант системы NTSC (OCKM), а в 1956 г. через Ленинградский телецентр был продемонстрирован кинофильм в цветном изображении, с целью проверки качества приема сигнала на существующие черно-белые телевизоры "КВН-49", "Ленинград Т-2", "Луч", "Экран", "Зенит" и "Темп-1". Качество оказалось вполне приемлемым. Но все же стандарт NTSC Советский Союз не мог принять из-за разгоравшейся "холодной войны" и, как тогда казалось, неоправданной дороговизны.

Оригинальный телевизионный стандарт был предложен французским инженером Анри де Франсом (Henri de France) в 1961 году [1]. Отношения с Францией у Советского Союза были теплыми, и лично де Голль был заинтересован в продвижении французского стандарта. Руководству Советского Союза была нужна независимость от Америки, поэтому было принято политическое решение, без учета технологических недостатков или преимуществ. С 1965 г. над системой совместно начали трудиться французские и советские специалисты. Оказалось, что стандарт, продемонстрированный в ограниченном студийном масштабе, на практике был неэффективен. В течение двух лет его удалось существенно доработать.

С 1 октября 1967г. в СССР начались регулярные передачи цветного телевидения в стандарте SECAM. Со временем систему приняли 25 стран, включая страны Восточной Европы (бывший социалистический лагерь, кроме Югославии) франкоговорящие страны Африки и Азии, часть Греции и Иран.

К достоинствам SECAM следует отнести большую помехоустойчивость системы, что было особенно актуально при передаче видеосигнала на огромных просторах Советского Союза. Сигналы цветности передавались в разные строки, поэтому перекрестные искажения между ними были исключены. В телевизоре информация о каждой строке запоминалась до прихода следующей строки. Телевизионный приемник в данной системе более сложен, следовательно, дороже в изготовлении, чем приемник системы NTSC. Цветная информация, записанная в SECAM, может потерять цвет в системе PAL. Однако запись PAL не теряет цвет в системе SECAM.

Следует сказать и о недостатках: качество цветопередачи было ниже, чем в системе NTSC, так как использовался принцип последовательной передачи цветов (технология, предложенная еще А. Полумордвиновым и О. Адамяном), особенно это было заметно на мелких деталях изображения.

С 1977 г. все вещание в СССР велось в цветном формате.

Технические характеристики SECAM:

Разрешение - 625 строк.

Количество кадров в секунду - 25.

Количество полей - 50.

Развертка луча чересстрочная (интерлейсинг).

PAL

PAL (Phase Alternation Line) - чередование фазы по строкам. Стандарт, предложенный немецким ученым фирмы "Телефункен" доктором Вальтером Брухом, представлял собой усовершенствованную систему NTSC с некоторыми элементами SECAM. Начало разработки нового стандарта относится к 1961 г., введение в действие - 1967 г. Вальтер Брух устранил недостатки, свойственные NTSC, в результате чего улучшилась цветопередача. Сигналы цветности, как и в NTSC, передавались одновременно, но, как в SECAM, применялись цветоразностные сигналы.

К достоинствам системы PAL следует отнести меньшую полосу частот, чем в стандарте SECAM, воспроизведение оптимальных цветов в светах и тенях телевизионного изображения, хорошую помехоустойчивость к фазовым искажениям сигнала цветности, стабильность информации о цветовых оттенках, прекрасную совместимость с черно-белыми телевизорами.

Стоимость телеприемника была ниже, чем для стандарта SECAM, но выше, чем для NTSC.

Технические характеристики системы PAL:

Разрешение - 625 строк.

Количество кадров в секунду - 25.

Количество полей - 50.

Развертка луча чересстрочная (интерлейсинг).

Система оказалась настолько успешной, что стала применяться в большинстве европейских стран, Австралии, Китае, Индии (в 62 странах).

Внедрение цветного телевидения повсеместно проходило чрезвычайно тяжело. Главная причина заключалась в том, что население не спешило покупать цветные телевизоры. Как писал один из отцов советского телевидения Павел Васильевич Шмаков, "черно-белое телевидение удовлетворяет нас по тем же причинам, как и простая фотография или кинокартина. Но этим мы обязаны только длительному насилию над своей психикой, заставляя себя ограничиваться изображениями без наличия цветов, чем так богата окружающая нас природа".

Американцы, первыми разработав стандарт NTSC в 1953 г., не подозревали, что потребуется полтора десятка лет для того, чтобы цветное телевидение стало массовым. Телекомпаниям было невыгодно производить вещание в цвете, зная, что население смотрит в черно-белые экраны. В свою очередь телезрители не спешили выкладывать средства, понимая, что количество цветных передач недостаточно. Почти все расходы легли на компанию RCA. Первые цветные телевизоры стоили около 500 долларов, а черно-белые в пять раз дешевле. RCA пообещала со временем выплачивать компенсацию тем, кто приобретет цветной телеприемник, и сдержала обещание. К середине 60-х гг. количество цветных приемников подошло к цифре в 10 млн. штук. Только после этого к цветному вещанию приступили телекомпании ABS и CBS.

В Советском Союзе еще до принятия стандарта SECAM с 1953 г. осуществлялись опытные цветные передачи посредством оптико-механической развертки луча: в передающей камере и телевизионном приемнике синхронно вращались диски с цветными светофильтрами. Промышленность начала выпуск цветных телевизоров "Радуга" с экраном в диаметре 18 см.

Первыми цветными телевизорами с электронной разверткой стали новая "Радуга" и "Темп-22", хотя их выпустили немного. Перейдя на SECAM, СССР оказался без собственного телевизора, поэтому в первое время в страну завозили французские телеприемники KFT. Вскоре наши специалисты изготовили оборудование для аппаратно-студийных и аппаратно-программных блоков. Далее картина напоминала американскую: население не желало покупать дорогие цветные телевизоры, хотя государство продавало их ниже себестоимости, объем цветного вещания был недостаточен. И только к 1987 г. почти все местные телецентры в конце концов получили комплекты для цветного телевещания.

Введение в действие различных телевизионных стандартов поделило "сферы влияния" в телевизионном мире. Советско-французский стандарт оказался самым неудачным с технической точки зрения, но зато успешно выполнял роль "берлинской стены". К 1985 г. все европейские телеприемники стали выпускаться с совместимым стандартом PAL/SECAM, а позднее телевизоры "научились" самонастраиваться на любую телевизионную систему. При этом к концу XX века стало очевидным, что существующие стандарты безнадежно устарели. Ученые всех развитых стран включились в разработку телевидения высокой четкости.

Система PAL разработана фирмой "Telefunken" в 1963 году. Целью ее создания было устранить главный недостаток NTSC - чувствительность к дифференциально-фазовым искажениям. В дальнейшем выяснилось, что система PAL имеет ряд преимуществ, которые первоначально не казались очевидными.

В системе PAL, как и в NTSC применяется квадратурная модуляция цветовой поднесущей сигналами цветности. Но если в системе NTSC угол между суммарным вектором и осью вектора B-Y, определяющий цветовой тон при передаче цветового поля постоянен, то в системе PAL его знак меняется каждую строку. Отсюда и название системы - Phase Alternation Line.

Уменьшение чувствительности к дифференциально-фазовым искажениям достигается за счет усреднения сигналов цветности в двух соседних строках, что приводит к уменьшению вертикальной цветовой четкости в два раза по сравнению с NTSC. Эта особенность является недостатком системы PAL.

Достоинства: малая чувствительность к дифференциально-фазовым искажениям и ассиметрии полосы пропускания канала цветности. Последнее свойство особо ценно для стран, где принят стандарт G с разносом несущих изображения и звука 5.5МГц, что всегда вызывает ограничение верхней боковой полосы сигнала цветности. Система PAL также имеет выигрыш в отношении сигнал/шум на 3dB относительно NTSC.

'PAL60 - система воспроизведения видеозаписи NTSC. При этом сигнал NTSC несложным путем транскодируется в PAL, но число полей остается прежним, то есть 60. Телевизор обязательно должен поддерживать это значение кадровой частоты.