Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Комментарий профессора Радиоля ЦВЕТНЫЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПЕРЕДАЧИ

Я предполагаю, Незнайкин, что после беседы с Любознайкиным ты немало подумал над проблемой, возникшей в конце беседы: каким образом, располагая только тремя каналами, передают четыре сигнала. Это сигнал яркости и сигналы трех основных цветов (красного, зеленого и синего).

В конечном итоге ты должен был найти решение, заключающееся в формировании яркости путем сложения трех основных цветов. Действительно, если мы наложим друг на друга красный, зеленый и синий лучи, дозируя при этом их интенсивность в соответствии с чувствительностью глаза к каждому из этих цветов, то получим белый свет.

Обозначим буквой Y яркость, а буквами R, G и В — три основных цвета, которым соответствуют следующие длины волн: R (красный) — 610 нм, G (зеленый) — 540 нм, В (синий) — 470 нм.

Взяв кривую хроматической чувствительности человеческого глаза и измерив величину, соответствующую каждому из трех основных цветов, ты убедишься, что чувствительность к красному цвету ниже чувствительности к зеленому в 2 раза, а чувствительность к синему составляет всего лишь пятую часть чувствительности к зеленому, которую мы принимаем равной 1 (рис. 207).

Рис. 207. Дозировка трех основных цветов: R (красного), G (зеленого) и В (синего) — в зависимости от чувствительности человеческого глаза.

Ты достаточно силен в арифметике, чтобы сложить чувствительности к зеленому, красному и синему цветам: 1 + 0,5 + 0,2 = 1,7.

А теперь рассчитаем удельный вес каждой из этих чувствительностей в полученной сумме. Для зеленого цвета мы должны 1 разделить на 1,7, что дает нам 0,59. Для красного получим: 0,5:1,7 = 0,30. И для синего: 0,2:1,7 = 0,11.

При желании получить яркость соответствующую хроматической чувствительности глаза, мы должны сложить три основных цвета в только что полученном нами соотношении. Поэтому для всех систем телевидения принята следующая формула:

Y = 0,30R + 0,59G + 0,11В.

Передай в таком соотношении три основных цвета, и на экране телевизионного приемника получишь точно такие же тона и такую же яркость, как при непосредственном восприятии передаваемого изображения. Если интенсивность каждого из основных цветов одинакова, то сложение их в соотношении, указанном в формуле, даст белый свет. Если же величины R, G и В не равны, то в результате сложения получатся различные цвета, изменяющиеся в зависимости от соотношения этих основных цветов.

Теперь ты убежден в правоте своей гипотезы, т. е. в том, что в цветном телевидении передают основные цвета R, G и В и обеспечивают необходимую яркость, дозируя их по только что выведенной нами формуле. К великому моему огорчению, должен сказать тебе, что так поступать не следует, потому что черно-белый телевизионный приемник не сможет воспроизвести изображения, переданные в такой форме. Он не обладает схемами, позволяющими дозировать по нашей формуле и складывать сигналы R, G и В, чтобы получить яркость, которую одну он и способен воспроизвести.

Для обеспечения совместимости во всех цветных телевизионных системах передают сигналы яркости Y.

Этот сигнал не отличается от видеосигнала монохромного телевидения и служит для получения полноценного изображения на экранах черно-белых телевизоров. На первых этапах разработки совместимых систем цветного телевидения кроме яркостного сигнала У передавались сигналы основных цветов — красный (R) и синий (В), необходимые для создания цветного изображения на экранах цветных телевизоров. Но на экранах черно-белых телевизоров сигналы R и В создавали помеху в виде мелкоструктурной сетки, относительно медленно перемещающейся по диагонали.

И вот для уменьшения неприятного действия этой помехи сейчас во всех, вещательных системах цветного телевидения вместо тройки каналов Y, R и В используют сигналы Y, R — Y, В — Y, где сигналы цветности R — Y и В — Y называются цветоразностными.

Почему использование цветоразностными сигналов R — Y и B — Y вместо R и В уменьшает помехи? Дело в том, что на неокрашенных участках изображения цветоразностные сигналы обращаются в нуль. А так как даже в цветных телевизионных передачах неокрашенные пли бледноокрашенные участки составляют не менее 60–70 %, то на эту же цифру снижаются эти мелкоструктурные помехи.

Теперь я объясню, почему цветоразностные сигналы на неокрашенных участках изображения обращаются в нуль. С этой целью воспользуемся таким примером. Пусть перед камерой цветного телевидения расположен монохромный объект передачи — газетный лист. Исходящий от него свет дихроичными зеркалами и светофильтрами расщепляется на три потока основных цветов R, G и В. При помощи трех передающих трубок и соответствующих усилителей создаются видеосигналы R, G и В. Далее эти сигналы поступают на матрицы.

Матрицы — это схемы, осуществляющие алгебраическое сложение сигналов в нужной пропорции и полярности (рис. 208).

Рис. 208. Матрица, формирующая сигнал яркости.

Например, матрица, формирующая сигнал яркости Y, содержит четыре резистора с правильно подобранными их сопротивлениями. Поступающие на три входа этой матрицы сигналы R, G и В, сложившись в нужной пропорции, создадут яркостный сигнал Y = 0,30R + 0,59G + 0,11В.

Точно так же в соответствующих матрицах образуются цветоразностные сигналы R — Y и В — Y. Знак минус для сигнала Y в этих матрицах реализуется поворотом фазы этого сигнала на 180° при помощи лампового или транзисторного каскада.

Теперь вернемся к неокрашенному изображению газетного листа. Для такого изображения R = G = В = 1, следовательно, Y = 0,30·1 + 0,59·1 + 0,11·1 = 1, поэтому R — Y = 0 и В — Y = 0.

Для получения сигналов красного и синего цветов достаточно на каждый из этих цветоразностных сигналов наложить сигнал яркости:

(R — Y) + Y = R;

(В — Y) + Y = В.

Но как же получить сигнал G? Займемся немного математикой. Теперь, когда, кроме сигнала Y, имеем значения R и В, мы можем из формулы Y = 0,30R + 0,59G + 0,11В вывести, что 0,59G = Y — 0,30R — 0,11В.

Разделив обе части этого равенства на 0,59, получим:

G = 1,7Y — 0,51R — 0,19В.

Как видишь, при передаче сигнала яркости Y и цветоразностных сигналов (R — Y) и (В — Y) можно восстановить третий основной цвет G. Эти сложные функции выполняет декодирующее устройство, являющееся частью цветного телевизора.

А теперь посмотрим, как при передаче создают сигналы трех основных цветов R, G и В, а также и сигналы яркости Y. Запомни сразу же, что нет необходимости получать сигнал яркости независимо от трех других, потому что его можно получить сложением их в соотношении, указанном формулой.

Для преобразования в электрические сигналы каждого из трех основных цветов нужно использовать одну из трех передающих телевизионных трубок.

Перед каждой из этих трубок следует установить фильтр соответствующего цвета, т. е. прозрачную пластинку, окрашенную в красный, зеленый или синий цвет. Само собой разумеется, что изображение на все эти три передающие телевизионные трубки должно подаваться от одного и того же объектива.

Каким образом это достигается?

Передаваемое изображение проецируется сначала на первое дихроичное зеркало, установленное под углом 45° относительно оси объектива. Знаешь ли ты, что так называют? Дихроичное зеркало представляет собой полупрозрачную пластинку; оно пропускает половину световых лучен, а другую их половину отражает. Отраженные лучи попадают на обычное зеркало, которое направляет их на передающую телевизионную трубку, предположим, снабженную синим светофильтром.

Прошедшие же через дихроичное зеркало лучи попадают на второе дихроичное зеркало, которое разделяет их на две части: отраженная часть лучей падает на обычное зеркало, направляющее их на передающую телевизионную трубку с красным светофильтром, а другая часть лучей, прошедшая через дихроичное зеркало, достигает передающей телевизионной трубки, снабженной зеленым светофильтром. Таким образом, с помощью обычных зеркал, а также таких необычных, как дихроичные, одно и то же изображение подается на все три передающие трубки и порождает там сигналы, соответствующие трем основным цветам (рис. 209).

Рис. 209. В передающей цветной телевизионной камере зеркала распределяют изображение между тремя передающими трубками, перед которыми установлены фильтры основных цветов.

Большинство передающих телевизионных камер для цветного телевидения имеет подобно описанному мною три трубки. Однако существуют камеры, имеющие четвертую трубку; эта трубка, перед которой нет цветного светофильтра, тоже получает изображение от единого объектива. Для этого в камере устанавливают дополнительно два зеркала, одно из которых дихроичное. В этом случае четвертая трубка служит для прямого формирования сигналов яркости. Но обычно сигналы У получают путем сложения (0,30R + 0,59G + 0,11В) соответствующих доз сигналов, поступающих от трех снабженных цветными светофильтрами передающих телевизионных трубок.

А теперь, Незнайкин, у тебя должен возникнуть вопрос, как передают три сигнала, а именно сигнал яркости Y и оба цветоразностных сигнала (R — Y) и (В — Y), которые получают подачей в противофазе каждой пары сигналов, подвергающихся вычитанию.

Естественно, что первой приходит в голову идея использовать дня этой цели три несущие волны, каждая из которых модулируется одним из передаваемых сигналов. Но при таком решении пришлось бы занять слишком широкую полосу частот, а количество передатчиков стало бы настолько велико, что диапазона частот уже не хватило бы. Кроме того, такой метод передачи потребовал бы утроить входные контуры и блоки УВЧ цветных телевизоров, что сделало бы их еще более сложными и дорогими. Учти, что цветные телевизионные передатчики используют только одну несущую волну. Ее модулируют сигналами яркости Y, благодаря чему черно-белые телевизоры превосходно принимают передаваемые таким способом изображения.

А как же передают оба цветоразностных сигнала? Для этой цели используют поднесущую волну. Мне необходимо объяснить тебе, почему ее так называют.

В телевидении несущая волна имеет частоту несколько десятков или даже сотен мегагерц. Ее модулируют по амплитуде сигналом с частотой 4,43 МГц. В результате возникают две полосы частот по одну и другую сторону от несущей. Как ты помнишь, одна из полос модуляции сильно подавлена. Таким образом, появляется только одна поднесущая, находящаяся в неослабленной боковой полосе.

Величина 4,43 МГц принята для всех цветных передач в Европе.

Какую же функцию выполняет эта поднесущая? Так вот, именно она и передает оба цветных сигнала.

В американской системе NTSC и в западно-германской системе PAL поднесущая модулируется по амплитуде цветоразностными сигналами. В системе SECAM она модулируется по частоте.

При любом способе модуляции ее частота ограничена полосой 1,5 МГц. Таким образом, внутри широкой полосы частот, являющейся результатом модуляции несущей сигналами яркости, размещается полоса частот 2x1,5 МГц, расположенная симметрично относительно поднесущей (рис. 210).

Рис. 210. Спектр частот, занимаемый передающими сигналами яркости и цветности.

Полоса 1,5 МГц невелика, но ее вполне достаточно для передачи цвета. Не забывай, что человеческий глаз не так хорошо различает мелкие детали по цвету изображения, как по яркости. Сигнал же яркости в цветных передачах передастся так же полно, как и в монохромных. Поэтому ограничение частот в области цвета не снижает качества изображений, воспринимаемых телезрителями.

А теперь, мой дорогой Незнайкин, тебя, должно быть, интересует, как одна эта поднесущая без чрезмерной нагрузки может передавать два независимых сигнала (R — Y) и (В — Y). Именно в используемом для этой цели способе заключается главное различие между тремя существующими в мире системами цветного телевидения.

Самой первой была разработана система NTSC (сокращение от National Television System Committee). В системе модулируемые сигналы сдвинуты по фазе один относительно другого на четверть периода. Для этого один из сигналов задерживают относительно другого.

Название системы SECAM (Séquence de Coulcurs Avec Mémoire) обозначает: последовательность цветов с запоминающим устройством. В этой системе сигналы цветности передаются поочередно. Во время передачи одной строки поднесущая модулируется по частоте сигналом R — Y, а во время передачи следующей строки — сигналом В — Y. Запомни, что при приеме удается, как бы парадоксально это ни показалось, восстановить оба сигнала цветности для каждой строки.

И, наконец, система PAL (сокращение от Phase Alternation Line). Она представляет собой своеобразный синтез систем NTSC и SECAM.

Достойно сожаления, что в мире не принята единая для всех стран система. Но мы уже видели, сколь различны нормы, принятые в этих странах для монохромного телевидения. Поэтому существование трех различных систем передачи цветных изображении не должно тебя удивлять.