Francisco José García Martínez

Transcripción

1 Francisco José García Martínez

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3 ÍNDICE 1 Introducción. 1 2 Ancho de banda Transmisión de la señal de vídeo y audio 3 3 Captura de imagen Corrección gamma 5 4 Muestreo temporal Entrelazado. 6 5 Sincronización Sincronismo de línea u horizontal Sincronismo de campo o vertical 8 6 La señal de video Luminancia Crominancia Modulación en cuadratura Señal Compuesta Subportadora de color Burst La inversión PAL 15 9 Secuencias del sistema PAL Secuencia de dos campos o secuencia de línea Secuencia de cuatro campos o secuencia Bruch Secuencia de ocho campos o secuencia PAL El generador de sincronismos PAL Parámetros de la señal PAL Valores de parámetros Parámetros que definen la señal Distorsiones Clasificación de las distorsiones Ruidos Ruidos continuos Ruidos de baja frecuencia Ruidos recurrentes Ruidos impulsivos Distorsiones lineales en función del tiempo Distorsiones de señal de luminancia Distorsión de forma de onda de larga duración Distorsión de señales con la duración de una trama 24

4 Distorsiones de señales con duración de una línea Distorsiones de señales de corta duración Distorsiones de señal de crominancia Falta de uniformidad entre luminancia y crominancia Desigualdad de la ganancia Desigualdad del tiempo de transmisión Distorsiones Lineales en función de la frecuencia Distorsión amplitud/frecuencia Distorsión retardo de grupo/frecuencia Distorsiones no lineales Distorsiones de señal de sincronismos Distorsión de sincronismos en régimen permanente Distorsión de sincronismos en régimen transitorio Distorsiones de señal de imagen Distorsión de amplitud luminancia debida a la amplitud de luminancia Distorsión de amplitud de luminancia debida a la amplitud de crominancia Distorsión de amplitud de crominancia debida a la amplitud de luminancia Distorsión de amplitud de crominancia debida a la amplitud de la crominancia Distorsión de fase de crominancia debida ala amplitud de luminancia _ Distorsión de fase de crominancia debida a la amplitud de crominancia Señales de prueba y test Barras de color Barras 100% (100/0/100/0) Barras 75% (100/0/75/0) Barras 95% (100/0/100/25) Señales test para señal compuesta Señal A Barra y pulsos 2T y F Señal línea Multiburst Señal línea Señal línea Señal seno x/x Señales test para componentes Señal multipulso Señal Bowtie Escalera de linealidad Pulso 2Ty 20T modulado Pulsos 2T Y 3T Pulsos 2T Y 5T Rampa alta y rampa baja Bibliografía 48 Apéndice: Normas utilizadas en la transmisión de señales de TV analógicas 49

5 1 Introducción. Los sistemas de comunicación audiovisual han experimentado, desde los inicios de la televisión en blanco y negro, una constante evolución tecnológica encaminada a mejorar tanto la calidad como la cantidad de los servicios. Sin embargo debe tenerse en cuenta que el enorme número de usuarios y coste de los equipos receptores suponen una gran inercia comercial que crea serias dificultades a la introducción de nuevos sistemas. Por ello la evolución tecnológica se realiza de forma progresiva, manteniendo la compatibilidad con los sistemas anteriores e introduciendo poco a poco mejoras y servicios adicionales. la implantación de información de color o sonido estereofónico son un claro ejemplo de ello. Hoy en día la rápida implantación de la televisión digital por vía satélite se ha conseguido sin un coste excesivo para el usuario, decodificando la señal digital en el extremo del receptor y convirtiéndola a los formatos analógicos convencionales. También se están introduciendo nuevos receptores que admiten varias entradas, tanto analógicas como digitales. La tendencia actual es la de ir desplazando a los sistemas de transmisión analógicos a favor de los sistemas digitales, aunque todavía coexistirán durante un cierto tiempo, incluso después de la finalización de transmisiones analógicas los receptores deberán seguir manteniendo la compatibilidad aunque solo sea para mantener la compatibilidad con los equipos de vídeo, como VHS o cámaras, que el usuario quiera mantener. Tampoco debemos olvidar que a día de hoy la mayor parte de los receptores del mercado se basan en la tecnología de Tubo de Rayos Catódicos, que necesita las señales de componentes (RGB) analógicas para su funcionamiento. Por ello no deja de ser interesante un análisis de este tipo de señales analógicas que nos han acompañado durante varias décadas y todavía lo harán durante algún tiempo. Además hay que tener en cuenta, que una buena parte de las soluciones y señales que han marcado la televisión analógica han sido adaptadas para su uso en señales digitales debido a la versatilidad y practicidad demostradas. Actualmente existen tres sistemas de radiotransmisión de televisión analógicos en color. Estos sistemas, NTSC, PAL y SECAM, aparecieron con un objetivo común. La transmisión de señales de televisión a color, respetando los parqués ya existentes de televisores en blanco y negro. El ancho de banda de la señal debía ser el mismo que el usado para la señal monocroma, debía ser compatible con los receptores monocromos y debía incluirse la información de color, todo ello con una calidad aceptabe. Además, la circuitería necesaria para trabajar con estas señales había de ser lo más simple posible para que no fuera excesivamente costoso. El sistema PAL (Phase Alternation Line) se introdujo, en 1963, desarrollado por un ingeniero alemán de Telefunken, llamado Walter Bruch. En este sistema cada cuadro tiene 625 líneas, y la frecuencia de campo es de 50 Hz. La principal novedad del sistema es que corrige los errores en la fase de subportadora de color inherentes al sistema NTSC y que provocan cambios en el tono de los colores a los cuales el ojo humano es bastante sensible. 1

6 Figura 1. Señal de vídeo PAL correspondiente a una línea de pantalla El objetivo de este trabajo no es el de estudiar el sistema de televisión PAL a color, sino el de estudiar la señal de televisión que se transmite en dicho formato. Para ello lo primero es estudiar esta señal en los formatos que habitualmente se nos presentará, sus características, sus valores nominales y tolerancias según los organismos que rigen las transmisiones internacionalmente, y estudiar las distorsiones que pueden afectar a dicha señal, así como las señales que se utilizan para ajustar y medir esas distorsiones. 2 Ancho de banda El ancho de banda, en televisión, se define como la frecuencia mínima que necesitamos para poder ver la imagen más complicada. El ancho de banda adecuado es un compromiso entre la eficiencia espectral del sistema de comunicaciones y la calidad con que pueden reproducirse las imágenes. Si la imagen a transmitir tuviera un nivel de gris uniforme, la luminancia tendría un valor constante en todas las líneas, por lo que la señal sólo contendría componente continua. Si la imagen que transmitimos está formada por barras negras y blancas en sentido vertical la luminancia deberá tomar sus valores extremos a lo largo de una línea. Por tanto, la imagen más compleja sería la formada por líneas con alternancia de blancos y negros. Figura 2. Señal de luminancia asociada a una imagen de barras verticales El valor de esta frecuencia para un sistema de 25 imágenes por segundo, 625 líneas y una relación de aspecto 4:3 es de aproximadamente 6,5 MHz. En el caso del NTSC de 30 imágenes por segundo y 525 líneas, se reduce a unos 5,5 MHz. En la práctica, en sistemas analógicos la señal de televisión se filtra con un ancho de banda de 5 Mhz. En el estudio de televisión suele trabajarse con un ancho de banda superior para garantizar que la calidad de la señal no se degrada en origen. 2

7 2.1 Transmisión de la señal de vídeo y audio Si el ancho en banda base de la señal de TV es de 5 MHz, necesitaríamos 10 MHz para transmitir esta señal modulada en amplitud. La solución que se adopto para reducir este ancho de banda fue la de transmitir en banda lateral vestigial. Lo cual reduce el ancho de banda y simplifica el receptor. Vamos a analizar a continuación los parámetros de transmisión de la norma G que es la que se utiliza en España. El ancho de banda asignado a un canal de televisión, incluyendo el vídeo, audio y guardas, es de 8 MHz. Esto significa que el resto de canales en la misma banda estarán separados por 8 MHz. El ancho de banda de la señal de vídeo esta fijado en 5 MHz. Esto quiere decir que antes de realizar la modulación de la señal de vídeo a radiofrecuencia se utiliza un filtro paso bajo de 5 MHz. Este filtro elimina la parte de la señal que exceda de 5 MHz y el que elimina parte de las bandas laterales superiores de la información de crominancia. La portadora de audio se sitúa a 5,5 MHz por encima de la portadora de vídeo y esta modulada en FM, con un ancho de banda de 15 KHz y una desviación de 50 KHz. La inserción del audio se realiza cuando la señal de vídeo en banda base ya ha sido filtrada por el filtro de 5 MHz. A la portadora de audio se le da una potencia que esta unos 10 db s por debajo de la de la portadora de vídeo. La señal de vídeo se modula en AM con una banda lateral inferior vestigial. Esto significa que una vez modulada la señal a la frecuencia de transmisión, se aplica un filtro paso banda que elimina parte de la banda lateral inferior. En el sistema G, se permite que el ancho asignado a esa banda inferior sea de 0,75 MHz. La modulación de la señal de vídeo es negativa, lo que significa que la señal de vídeo compuesto se invierte (impulsos de sincronismo positivos y luminancia negativa) antes de enviarla al modulador. Figura 3. Banda de frecuencias para el canal G. La figura anterior representa un diagrama esquemático de cómo se sitúan las portadoras de vídeo, croma y audio. También se incluye la portadora de audio digital NICAM, que es un sistema de audio digital estereofónico que se usa para emitir sonido en estéreo o en dual. 3

8 3 Captura de imagen El proceso de generación de la señal de televisión se produce cuando los tubos de una cámara convierten la luz que reciben en tensiones que configurarán la señal de televisión. Una cámara actual de color dispone de tres de estos tubos, todos ellos exactamente iguales y con la misma función, con la única diferencia de que cada uno captará un color distinto. Figura 4. Captura y visualización de imagen La información de cada imagen se podría captar explorando punto a punto la superficie de la cámara en que se recoge, y tratar posteriormente la información de cada punto como una señal independiente, en paralelo. Pero sería muy complicado porque significaría trabajar con muchas señales. Por ello se opta por hacer un barrido secuencial de la pantalla, por líneas, explorando el nivel de luz existente a lo largo de cada línea, y a partir de esta exploración se obtiene una única señal. En la pantalla del receptor, la información se representará de la misma manera, con un barrido por líneas. La exploración se realiza de la misma manera en que se lee un libro, de izquierda a derecha, y de arriba abajo. Figura 5. Barrido de líneas El número de líneas ha de ser tal que un espectador situado a la distancia habitual de observación no distinga líneas, sino que vea una imagen continua, y esto depende de la resolución del ojo. Por ejemplo, en el sistema de televisión europeo (tanto el PAL como el SECAM) hay 625 líneas, pero sólo 575 son de imagen, el resto se dedican a sincronismo vertical, teletexto, VPS (información para grabación automática de vídeo), líneas de inserción de prueba de la calidad de la señal (17, 18, 330, y 331), y otros usos. 4

9 3.1 Corrección gamma La señal de televisión transmitida desde la cámara va a ser reproducida en el receptor de televisión. La pantalla del receptor es un tubo de rayos catódicos (TRC), un dispositivo que tiene una respuesta de luz en función de la señal eléctrica no lineal. Pero un sistema de televisión considerado en conjunto debe ser lineal, es decir, la luz emitida por la pantalla del receptor debe ser directamente proporcional a la luz que incide en la cámara. Para que el comportamiento del conjunto cámara-receptor sea lineal, hay que aplicar una corrección a la señal antes de transmitirla al receptor, es la corrección gamma, que consiste en que la cámara genere una distorsión opuesta a la del tubo del receptor. Figura 6. Corrección gamma de la señal La generación de la señal eléctrica en la cámara (función brillo-señal eléctrica) es lineal, por lo que se inserta en el transmisor un bloque que corrige la no-linealidad del conjunto con una curva de transferencia inversa a la del TRC. Figura 7. Esquema transmisor, corrector y receptor para una sola componente En un sistema de color la corrección debe aplicarse para cada una de las componentes primarias (R,G,B) ya que estas son las componentes sobre las que trabajara el receptor. Figura 8. Esquema transmisor, corrector de color. 5

10 4 Muestreo temporal. El movimiento se conseguirá mediante proyecciones de instantes sucesivos, a velocidad suficiente para que el espectador tenga la impresión de movimiento continuo y no a saltos. Cada una de estas proyecciones recibe el nombre de imagen o cuadro ("frame" en inglés). Figura 9. Esquema del muestreo temporal de las imágenes. La sensación de continuidad es debida a la acción conjunta de la persistencia de las imágenes en la retina y al fenómeno phi. La persistencia consiste en que la percepción de la imagen se mantiene durante unas fracciones de segundo después de que ha desaparecido la excitación. El fenómeno phi es el responsable principal de que el sistema visual humano sea capaz de interpolar movimientos de los que sólo dispone información fraccionada y producir la sensación de que son continuos. El problema que tenemos aquí es que el ojo humano tiene una persistencia de 1/16 de segundo, mientras que un barrido tarda 1/25 de segundo. Por esta razón cuando el haz está llegando al final de la pantalla ya se esta borrando en la retina la sensación del brillo que estaba al principio. Esto produce un parpadeo muy molesto que tendremos que corregir mediante la técnica del entrelazado. 4.1 Entrelazado. Para que no hubiera ningún efecto de parpadeo de imagen, la frecuencia de muestreo debería ser mayor de 65 Hz. Pero un barrido de esta frecuencia presenta un inconveniente: el ancho de banda de la señal resultante es muy elevado. La solución adoptada consiste en realizar una doble exploración entrelazada de las líneas de cada imagen. La imagen se divide en dos subimágenes o campos explorando alternativamente las líneas pares y las impares. La proximidad entre líneas consecutivas hace que el espectador integre las dos subimágenes y obtenga la sensación de que éstas se están renovando a una frecuencia doble de la real. Con ello se consigue mantener un caudal de información reducido, suficiente para interpolar correctamente el movimiento sin que aparezca el fenómeno de parpadeo. 6

11 Figura 10. Entrelazado de líneas La necesidad de entrelazar las imágenes supone que las líneas deberán transmitirse alternadamente y en el mismo orden en que se realiza la exploración del haz en la pantalla en el receptor. El entrelazado introduce cierta degradación sobre la calidad de las imágenes. Los efectos más conocidos son la aparición de vibraciones interlínea (interline twiter) y arrastres de línea (line crawl). El primero aparece en los contornos horizontales de imágenes estáticas como una pequeña vibración en sentido vertical del contorno debido a que en cada campo éste se representa en una posición vertical ligeramente distinta. El efecto de arrastre de línea produce la apariencia de que las líneas se desplazan verticalmente en la pantalla, debido a que cada campo se presenta al espectador en instantes de tiempo distintos lo que puede inducir, para algunas imágenes, la sensación de que los contornos se desplazan en sentido vertical, cuando en realidad la imagen permanece estática. Otro problema directamente relacionado con el entrelazado de las imágenes es el denominado efecto Kell, que reduce la resolución de las imágenes por debajo de lo que a priori podríamos estimar teniendo en cuenta el número de líneas. En el sistema PAL cada campo tendrá 312,5 líneas. 5 Sincronización Cuando la señal transmitida llega al receptor, éste ha de tener alguna manera de reconocer cuándo comienza una línea, y qué línea de campo es. Por ello hay que sincronizar la exploración de la imagen realizada por la cámara con el barrido en el receptor. El sincronismo es el que hará que funcionen al unísono las señales que definen el barrido vertical y horizontal de la cámara y del televisor, de forma que el barrido de la cámara esté sincronizado con el barrido del televisor y el inicio de la imagen que obtiene la cámara sea el principio de la imagen que nos da el televisor. Cuando la cámara genera una imagen le incorpora los sincronismos que empleó para generar los barridos. La señal de imagen llevará estos sincronismos siempre hasta que llegue al televisor, que los empleará para generar sus dientes de sierra. Cada sistema de televisión tiene especificada una frecuencia de línea, por lo que los circuitos del receptor mantienen la misma velocidad de barrido que la cámara a lo largo de la línea: se requiere únicamente un ajuste de la fase, para sincronizar los dos sistemas. Así pues, el margen de tiempo de la señal de video de divide en dos partes: una para la información de vídeo y otra para los sincronismos. Los sincronismos tienen forma de pulsos y son de dos tipos: sincronismos de línea y sincronismos de campo. 7

12 5.1 Sincronismo de línea u horizontal El sincronismo de línea u horizontal, tiene 3 partes: el pórtico anterior, que dura 1,5 µs, y cuya misión es dar un margen a la señal para que alcance el nivel de negro desde cualquier nivel de imagen; el pulso de sincronismo propiamente dicho, cuya duración es de 4,7 µs, su flanco descendente activa el retorno del haz; y el pórtico posterior, que dura 5,8 µs, un tiempo adicional para el retorno del haz al principio de la línea siguiente. La duración total del sincronismo es de 12 µs, por lo que nos quedan 52 µs (cada línea dura 64 µs) para la información de imagen. Figura 11. Sincronismo horizontal Figura 12. Niveles del sincronismo horizontal 5.2 Sincronismo de campo o vertical El sincronismo de imagen, también llamado vertical o de campo, sirve para separar un campo del siguiente. Tiene una duración de 7,5 líneas y consta de cinco impulsos preigualadores (sirven para que las señales que reciben los circuitos de detección sean iguales para el campo par y el impar), cinco verticales y cinco postigualadores (dan simetría al sincronismo). Cada impulso dura media línea. Figura 13. Detalle de señales de sincronismo del campo impar Figura 14. Detalle de señales de sincronismo del campo impar Después del sincronismo vertical se incluyen 17,5 líneas en negro para garantizar que los circuitos de barrido han tenido tiempo para conmutar la señal de barrido. Llevan el sincronismo horizontal y suelen utilizarse para transmitir información que no es de vídeo. Como el teletexto, códigos de la emisora, señales de control de calidad,etc. Esta señal de sincronismo vertical es idéntica para ambos campos. La única diferencia es que una empieza en mitad de una línea y la otra en una línea completa. En el sistema PAL la relación entre el margen de tensión dedicado a señal de vídeo y el margen dedicado a sincronismos es 7:3, mientras que en NTSC es de 10:4. En general, cuando se habla en televisión de la señal de vídeo en banda base de amplitud normalizada, quiere decir que la tensión tiene un valor máximo de 1 Vpp (0,7 V para la información de 8

13 vídeo y 0,3 V para el sincronismo, en el sistema PAL, y 0,714 para la información de vídeo y 0,286 para el sincronismo en el sistema NTSC). 6 La señal de video. Cuando se introdujeron los primeros sistemas de televisión en color era muy importante mantener la compatibilidad con los sistemas de blanco y negro ya operativos. Por lo tanto no se podía transmitir RGB directamente y exigía transmitir la señal de luminancia con el mismo formato que esperaban los receptores en blanco y negro. La compatibilidad exige que la señal de color pueda seguir siendo visualizada mediante un receptor monocromo con un nivel de interferencia en blanco y negro imperceptible para el usuario. Un segundo requisito es la denominada compatibilidad indirecta o retrocompatibilidad, que establece que desde un receptor en color deben poder decodificarse las señales que se transmiten en blanco y negro, obteniendo las tres componentes de color iguales y en consecuencia visualizando una imagen de las mismas características que en un televisor en blanco y negro. Tanto la compatibilidad directa como la indirecta condicionan el tipo de señales que deben transmitirse para codificar el color. 6.1 Luminancia Las cámaras de color nos dan tres señales, señal roja, señal verde y señal azul (RGB). De ellas debemos obtener una sola que sea equivalente a la de blanco y negro. Esta señal que obtengamos será la señal de luminancia. Para obtenerla recurrimos a la primera Ley de Grassmann, que en síntesis dice que 1 lumen de blanco se puede formar mezclando 0.3 partes de rojo, 0.59 partes de verde y 0.11 partes de azul. Esta fórmula nos la vamos a encontrar con mucha frecuencia y la vamos a adaptar a las normas generales en cuanto al nombre de los colores. Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B Y =luminancia, R =red (rojo), G =green (verde), B =blue (azul) De esta forma obtenemos la luminancia que una vez transmitida debe servir para dar una imagen tanto a los televisores de blanco y negro como a los de color. Figura 15. Señal de luminancia proporcionada por un sistema PAL color Lógicamente a los receptores de color tendremos que darles algo más para colorear la imagen. Para ello se envía una señal modulada con la luminancia, llamada Crominancia. 9

14 6.2 Crominancia. Por problemas de compatibilidad con los televisores de B&N no se pueden transmitir directamente las señales RGB. Por lo que se transmite la señal de luminancia y dos señales diferencia de color, que se obtienen de restar la luminancia a cualquiera de las componentes de color (R-Y, G-Y, B-Y). Para que el sistema de televisión sea totalmente compatible necesitamos transmitir la señal de luminancia junto con dos de las componentes diferencia de color, la tercera componente de color se puede sacar a partir de las otras. Esas dos componentes son R-Y y B-Y. La otra no se utiliza por ser la más sensible al ruido de las tres. Ahora debemos sumar estas dos señales en una sola señal, de forma que luego podamos separarlas, para posteriormente sumársela a la luminancia. Para conseguir esto las modulamos en cuadratura con la misma frecuencia (excepto en SECAM que se modula en FM) Modulación en cuadratura. Veremos a continuación que es modular y que es modular en cuadratura. Un modulador es un dispositivo al cual le metemos en una entrada la señal que queremos modular y en la otra una frecuencia con la que modulamos esta señal. De este modo aunque la señal resultante la sumemos a la luminancia, podremos separarlas siempre pasándolas por un filtro de la misma frecuencia con que hicimos la modulación. Figura 16. Esquema moduladores de frecuencia En la figura anterior también podemos ver como en el modulador de B-Y la subportadora la aplicamos a 0º, mientras que en el de R-Y, la aplicamos a 90º. Si con las dos señales resultantes obtenemos el producto de modulación tendremos conjuntos de dos valores en dos ejes que nos darán las características de saturación y tono en el vector resultante. R-Y = 0,7R 0,59G 0,11B B-Y = 0,3R 0,59G + 0,89B Si las señales R-Y y B-Y tienen componentes de los tres colores, tendremos valores en dos ejes a 90º. Estos valores nos darán como resultado vectores cuyo ángulo nos darán el tono o color y su longitud nos dará la amplitud o saturación del color. De esta forma sucede que con dos señales moduladas en cuadratura y sumadas a la luminancia, tenemos todo lo necesario para obtener una imagen coloreada y compatible con el blanco y negro. A esta señal modulada en cuadratura se le llama crominancia. Y su valor es: C = (B Y) 2 + (R Y) 2 10

15 6.2.2 Señal Compuesta. En la próxima figura podemos ver como se obtiene la señal de crominancia y posteriormente se suma a la luminancia. Esta señal resultante de sumar la luminancia, la crominancia modulada y el burst es la señal de video compuesto. La siguiente tabla muestra los valores de tensión (en V) para una señal de barras de colores. Barras de color R G B Y Figura 17. Imagen de Barras de color B- Y R-Y Módulo de la Crominancia ( C = (B Y) 2 + (R Y) 2 ) Blanco Amarillo ,89-0,89 0,11 0,90 Cyan ,70 0,30-0,70 0,76 Verde ,59-0,59-0,59 0,83 Magenta ,41 0,59 0,59 0,83 Rojo ,30-0,30 0,70 0,76 Azul ,11 0,89-0,11 0,90 Negro Es interesante observar que la amplitud del vector de crominancia es nula para el blanco y el negro. En la siguiente figura se muestran los niveles de tensión correspondientes a cada uno de estos colores en una línea de televisión, en el orden en que aparecen en la llamada señal de barras de color. Figura 18. Niveles crominancia (R-Y y B-Y) En la figura se puede observar que el valor instantáneo de la señal excede del pico de blanco, o que invade el margen de la señal de televisión destinado a sincronismo, esto produce una sobremodulación en radiofrecuencia. La solución es reducir la amplitud de la crominancia, ya que no se puede reducir el nivel de la luminancia por cuestiones de compatibilidad. En qué cantidad ha de ser esta reducción? Si tomamos como referencia que la distancia del negro al blanco es de 1 V, está estipulado que la señal de vídeo no se extienda más allá de 0,33 V del pico de blanco y del pico de negro, de 11

16 esta manera se asegura que la sobremodulación durante el periodo activo de línea no sobrepase el 33%. Por ello, hay que calcular unos factores de ponderación tales que Y + C 1,33; Y - C -0,33 Este error es tolerable, puesto que sólo se dará para colores con la máxima saturación y amplitud, los cuales aparecen muy raramente en imágenes normales. El procedimiento para el cálculo del valor de estos coeficientes consiste en calcular el módulo de la crominancia para todos los colores, con los factores de ponderación que buscamos determinar como parámetros. Estas ecuaciones se plantean para todos los colores de la señal de barras de color, tomados 2 a 2, y el resultado es: De esta manera queda: a = 0,493, b = 0,877 U = 0,493 (B-Y) V = 0,877 (R-Y) Estas dos señales U y V son las que realmente se modulan en cuadratura y se transmiten como información de crominancia, cuyo módulo tiene un valor de 2 C = U + Las señales U y V tienen un ancho de banda de un 1 MHz. La señal de barras de color normalizada resulta: V 2 Figura 19. Niveles crominancia (U y V) siendo la nueva tabla de valores de tensión la siguiente. Barras de B- Módulo de la Fase líneas (en º) R G B Y R-Y color Y Crominancia n n+1 Blanco Amarillo 0,75 0,75 0 0,664-0,664 0,085 0, ,1 192,0 Cyan 0 0,75 0,75 0,526 0,224 0,526 0, ,5 76,5 Verde 0 0,75 0 0,440-0,440-0,440 0, ,7 119,3 Magenta 0,75 0 0,75 0,310 0,440 0,440 0,443 60,7 299,3 Rojo 0, ,224-0,224 0,526 0, ,5 256,5 Azul 0 0 0,75 0,086 0,664-0,085 0, ,1 12,9 Negro

17 Un diagrama vectorial, en el que se representa el módulo y la fase de la información de la crominancia, de los colores quedaría así: Figura 20. Diagrama Vectorial de la crominancia de las barras de color. 7 Subportadora de color. Todavía no podemos sumar la señal de crominancia a la luminancia sin antes hacer algo que nos permita posteriormente separarlas. Es necesario ocupar sólo el espacio utilizado para la señal monocroma, hay que ubicar en el canal asignado a la televisión en blanco y negro la información de color adicional. Para ver de qué manera se puede hacer esto, podemos hacer un análisis espectral de la señal de vídeo compuesto monocromo, o sea, de la luminancia. Figura 21. Esquema espectral de la luminancia La solución para transmitir la crominancia es utilizar los huecos que hay en el espectro de la luminancia, y así conseguir no aumentar el ancho de banda total del canal y producir el mínimo de interferencia posible, por eso la frecuencia será un múltiplo impar de f h /2 (f h = frecuencia de línea). Esto se puede conseguir porque el espectro de la crominancia es también casi periódico, como el de la luminancia. A este procedimiento de insertar la crominancia dentro de la luminancia se le llama imbricación de espectros. Además, el batido entre la subportadora de color y la portadora de sonido ha de provocar una interferencia cuyo patrón sea fácilmente integrable en el tiempo, y por lo tanto no resulte 13

18 molesto para el espectador. Esta misma condición debe imponerse también para la propia subportadora de color. Figura 22. Superposición de croma y luminancia. Por tanto, es importante elegir la frecuencia de la portadora de la señal de crominancia de manera que su efecto visual en un monitor de blanco y negro sea mínimo. Por ello, la portadora de color es de alta frecuencia (aunque dentro de la banda), para que sea el propio sistema visual humano el que integre las rápidas variaciones de nivel que se superponen con la señal de luminancia. Vamos a elegir una frecuencia cerca del borde superior de la frecuencia del canal para evitar en lo posible el patrón de interferencia y poder aplicar filtros que no afecten en gran medida a la luminancia. Además, la frecuencia portadora se elige de modo que en dos líneas sucesivas los efectos de la interferencia se cancelen. Para ello vamos a elegir una frecuencia próxima a los 5 MHz. f sp = f h = = Hz f sp = Frecuencia subportadora de color f h = Frecuencia de línea ( Hz en PAL) Esta sería una frecuencia múltiplo de la de líneas, es decir, coincidirían los ciclos de subportadora en el mismo punto de la línea, en líneas consecutivas. f sp = f h - (284-1/4) = ,75 = ,75 Hz Esta sería una frecuencia que haría coincidir los cielos de subportadora cada 4 líneas. En este caso el patrón de interferencia sería todavía muy visible y molesto. Si a ,75 le sumamos 25 Hz, es decir, hacemos que en 1/25 de seg. se reparta un ciclo entre toda la señal, que en ese tiempo es un cuadro, es lo mismo que repartir un ciclo entre 625 líneas, con lo cual no coincidirán en 625 líneas los ciclos de subportadora. Como ya habíamos hecho que no coincidieran en cuatro líneas, no coincidirán en cuatro cuadros, o lo que es lo mismo en ocho campos, que es la secuencia PAL. fsp = , = ,75 Hz Si dividimos fsp entre fh tendremos: ,75 / = 283,7516 Hz Fragmento de una línea de señal de TV Este es el numero de coherencia, es decir, en cada línea habrá 283,7516 ciclos de subportadora, que son 283 ciclos completos y 0,7516 de un ciclo, que corresponden a º. Gracias a esta frecuencia el patrón de interferencia es poco visible, pero obligará al sistema PAL a un juego de cifras complicado. Estos canales son los que emplea la emisora para transmitir la señal a la antena y poder recibir la señal en los televisores. 14

19 7.1 Burst. Para poder demodular la señal de crominancia deberemos añadir una señal denominada burst que nos dará información de la fase de la portadora. Esta señal consiste en transmitir la subportadora durante parte del pórtico posterior del pulso de sincronismo horizontal de cada línea de la señal, excepto el sincronismo vertical. Esta señal está formada por diez ciclos de subportadora que siguen la fase de la subportadora. A esta fase se la llama fase absoluta y los vectores corresponderán a sus respectivos colores por comparación con la fase del burst. A esta fase se la llama fase relativa. Figura 23. Inserción de la señal de burst 8 La inversión PAL Para analizar en que consiste es preciso entender que un viraje de fase hará variar el tono de un color. Lógicamente si el ángulo del vector nos da el tono del mismo, si cambia el ángulo cambia el color. Esta operación, es una combinación de funciones entre el circuito codificador PAL y el televisor. El codificador invierte una línea sí y otra no. Posteriormente el televisor volverá a invertir la línea invertida, y la sumará a la línea no invertida retardando una línea. Para realizar la inversión PAL aplicamos la subportadora para el modulador de la señal R-Y a través de un inversor de 180º, de modo que en la línea no invertida tendremos una fase de subportadora de 90º y en línea invertida 270º. Esto lo que produce en realidad es un cambio de signo de la polaridad de V. A las líneas sin invertir se les llama líneas NTSC, ya que tienen la misma fase, y a las invertidas se las denomina líneas PAL. Figura 24. Inversión de línea. 15

20 línea n (línea NTSC) línea n+1 (línea PAL) Y n Y n+1 U n U n+1 V n -V n+1 Al actuar así sobre la señal se corrigen los errores de fase que padece NTSC evitando variaciones de tono en los colores que son muy molestas para el ojo humano. 9 Secuencias del sistema PAL Una secuencia es todo aquello que se repite de una forma periódica. En el sistema PAL hay tres secuencias distintas: la secuencia de dos campos o secuencia de líneas, la secuencia de cuatro campos o secuencia BRUCH y la secuencia de ocho campos o secuencia PAL. 9.1 Secuencia de dos campos o secuencia de línea. Si nos fijamos en los cuadros veremos que en cuanto a sincronismos son exactamente iguales. El campo 1 empieza en la línea 1 mientras que el campo 2 empieza en la línea 313, pero en la mitad de la línea, y termina en la 625. En el campo 1 el primer impulso de línea esta después de media línea, es decir entre el último impulso igualador y el primero de línea hay media línea (5). En el campo 2, el primer impulso de línea está después de una línea, es decir entre el último impulso igualador y el primero de línea hay una línea completa (318). Figura 25. Secuencia de línea. Sí nos fijamos en los demás cuadros veremos que en esto son todos iguales. Esta es la secuencia de dos campos o de línea 16

21 9.2 Secuencia de cuatro campos o secuencia Bruch Figura 26. Secuencia Bruch. La secuencia de cuatro campos o secuencia Bruch, es la que se forma con el borrado de burst. Si nos fijamos, en cada campo se borra en nueve líneas el burst, representado por flechas sobre la línea, pero no se borra en las mismas líneas, es decir, en el campo 1 se borra desde la 623 a la 6 ambas inclusive, en el campo 2, desde la 310 a la 318, en el campo 3, desde la 622 a la 5, y en el campo 4, desde la 311 a la 319. Como podemos observar en ningún campo se borran en las mismas líneas. Pero sin embargo desde el campo 5 al 8 veremos que en esto si son iguales, es decir, en el campo 1 se borra el burst en las mismas líneas que en el campo 5, en el 2 en las mismas que en el 6, o sea, en cuanto a borrado de burst los campos 1 a 4 son idénticos a los campos 5 a 8. Esta es la secuencia Bruch. 9.3 Secuencia de ocho campos o secuencia PAL Para estudiar la secuencia de ocho campos o secuencia PAL, tenemos que basarnos exclusivamente en la fase de la subportadora. Por su frecuencia la fase de la subportadora cambia de línea en línea y no se repite hasta 2500 líneas. Frecuencia subportadora ,75 Hz/s Frecuencia de líneas Hz/s Ciclos subportadora por línea 283,7516 En cada línea hay 283 ciclos completos de subportadora y 0,7516. Si analizamos como se elige la frecuencia de subportadora, recordaremos que se multiplicaba la frecuencia de líneas por 284-1/4, esto quiere decir que cada 4 líneas la onda senoidal empieza en ciclo completo. 17

22 Figura 27. Secuencia PAL. Como podemos ver en la figura, en la primera línea la fase de la subportadora es 0º, en la línea siguiente después de 283 ciclos completos terminaría en 0,75 ciclos que corresponden a 270º. En la siguiente habría 283 ciclos más 0,5 ciclos que son 180º. En la siguiente, cuarta línea, habría 283 cielos más 0,25 ciclos, que son 90º. Y en la quinta volvería a ser 0º. Al elegir la frecuencia de la subportadora, también sumamos 25 ciclos, es decir, cada segundo añadimos 25, o sea, cada cuadro (25 cuadros por segundo), le sumamos un ciclo, luego a cada 625 líneas le repartimos un ciclo. Si se repetía la fase cada cuatro líneas y ahora hacemos que se reparta un ciclo entre 625 líneas, se repetirá la fase cada líneas, (625x4), por lo tanto la fase 0º que es la que tiene la línea 1 del campo 1, volverá a ser 0º en, la línea 2.501, que es la línea 1 del campo 9. En realidad el campo 9 vuelve a ser campo 1, pues son idénticos en todo. Podemos afirmar entonces, que si cada líneas la fase de la subportadora vuelve a ser 0º, en la línea la fase será de 180º. En consecuencia los campos 5 a 8 serán idénticos a los campos 1 a 4 excepto en la fase de la subportadora que estará invertida 180º. A partir de los ocho campos todo se repetirá sin ninguna diferencia. Esta es la secuencia PAL de ocho campos. La relación entre la fase de la subportadora y las líneas es la relación SP/H. Se mide en grados y se define como fase 0º la correspondiente a la línea 1 del campo 1. Hay que respetar esta secuencia a la hora de empalmar señales procedentes de fuentes diferentes. Qué ocurre en el receptor de televisión al observar una edición que no respeta la continuidad de la subportadora? Al empezar, el receptor se sincroniza respecto a la subportadora de una fuente de vídeo. Pero al llegar al punto de edición, la información de color está modulada respecto a la fase de la subportadora de la fuente a la que se quiere conmutar. Hay un transitorio durante el que el receptor ha de cambiar su referencia de fase en los circuitos demoduladores de color, y esto provoca un fallo en la imagen. 10 El generador de sincronismos PAL En un generador de señal PAL necesitamos disponer de diferentes señales con distintas frecuencias: f sp, f h, f campo. 18

23 Además, necesitamos que las relaciones de fase entre estas señales no sean aleatorias, sino que estén relacionadas de forma exacta entre sí. Por ello, lo que se hace es obtener todas estas señales a partir de un único oscilador muy estable. f i = Frecuencia de imagen = 25 Hz. f sp = (284-1/4)f h +f i f campo =2f i /625 El oscilador trabajará a una frecuencia de f sp, hemos de encontrar una relación simple entre f sp y f h. f sp -f i = (284-1/4)f h =1135/4f h =227-5/4 f h 2f h =(f sp -f i )-8/(227 5) Y teniendo en cuenta que f campo =2f h /625, se pueden obtener todas las señales de sincronismo necesarias a partir de un único oscilador, como aparece en el siguiente diagrama de bloques: Figura 28. Diagrama del generador de sincronismos. 11 Parámetros de la señal PAL Ya hemos visto paso a paso como se forma el sistema PAL. Todas estas operaciones englobadas no son otra cosa que el codificador PAL, es decir, el equipo que nos permite obtener el sistema de color PAL desde las tres componentes R, G y B. Vamos a ver a continuación cuales son los parámetros y valores que definen a la señal PAL Valores de parámetros Tiempos Duración de una línea: 64 µs Período activo de línea: 52 µs Duración del borrado de línea: 12 µs Duración del sincronismo de línea: 4,7 µs Duración del sincronismo vertical: 27,3 µs Duración del sincronismo igualador: 2,35 µs Duración del burst: 2,25 µs 10 ciclos Tiempo de bajada y subida de sincronismos: 200 ns Distancia de sincronismo a burst: 5,6 µs Amplitudes Amplitud máxima pico a pico de la señal: Amplitud máxima de luminancia: 1 V 700 mv 19

24 Amplitud de sincronismos: Amplitud de burst: 300 mv 300 mv 11.2 Parámetros que definen la señal Los parámetros son las medidas de cada una de las partes de la señal de vídeo y están establecidas por los organismos que rigen las normas de transmisión entre las distintas organizaciones de televisión del mundo. Vamos a enunciar cada uno de los parámetros que definen la señal. Nivel de negros: Es el nivel 0 de la señal. En el sistema PAL es también el nivel de supresión. Nivel de blancos: Es el nivel que esta 700 mv por encima del nivel de negros. Nivel de sincronismos: Es el nivel que esta 300 mv por debajo del nivel de negros. Duración de una línea: Es el tiempo comprendido entre el 50% del flanco de bajada del sincronismo de línea y el 50% del flanco de bajada del siguiente sincronismo de línea. Período activo de línea: Es el tiempo de aparición de la señal de vídeo en la línea, fuera del tiempo del borrado de línea. Duración del borrado de línea: Es el tiempo en que se suprime la aparición de señal de imagen, incluye los dos pórticos y el sincronismo de línea. Este tiempo se emplea para hacer el retrazado al final de cada línea para volver al borde izquierdo de la pantalla. Duración del sincronismo de línea: Es el tiempo de aparición del sincronismo de línea, es decir, el tiempo transcurrido entre el 50% del flanco de bajada del sincronismo y el 50% del tiempo de subida del mismo. Duración del sincronismo vertical: Es el tiempo que dura un sincronismo vertical medido entre los puntos del 50% de los flancos de bajada y subida del mismo. Duración del sincronismo igualador: Es el tiempo que dura un sincronismo igualador medido entre los puntos del 50% de los flancos de bajada y subida del mismo. Distancia entre pulsos verticales: Es el tiempo que hay entre dos impulsos verticales consecutivos, medidos entre el 50% del flanco de subida de-uno y el 50% del flanco de bajada del siguiente. Duración del burst: Es el tiempo de aparición del burst, medidos entre los puntos del 50% de los flancos de subida y bajada de la envolvente del mismo. La duración está relacionada con los 10 ciclos de subportadora que se incorporan, que es en-realidad la duración del pulso K. Tiempo de bajada y subida del sincronismo: Es el tiempo que tarda en pasar del nivel de negro al de sincronismo y viceversa. Se considera el tiempo entre el 10% y el 90% de cada uno de los flancos. Distancia del sincronismo al burst: Es el tiempo entre el 50% del flanco de bajada del sincronismo y el 50% de la envolvente del burst. Amplitud p/p de la señal de luminancia: Es la diferencia de tensión que existe entre el nivel de sincronismo y el pico más alto de la señal de luminancia. Amplitud máxima de luminancia: Es la diferencia de tensión que existe entre el nivel de negro y el pico más alto de luminancia. 20

25 Amplitud de sincronismo: Es la diferencia de tensión que existe entre el nivel de negro y el nivel de sincronismo. Amplitud del burst: Es la diferencia de tensión que existe entre el nivel más alto de la envolvente del burst y el nivel más bajo de la misma. Figura 29. Línea de vídeo con los componentes principales. Figura 30. Línea de vídeo con varios puntos de la señal PAL. 21

26 Figura 31. Parámetros incluidos dentro del periodo de borrado de línea. 12 Distorsiones Figura 32. Bloque sincronismo vertical Clasificación de las distorsiones Las distorsiones son deformaciones que se producen en la señal por un mal ajuste de un circuito o mal funcionamiento del mismo. Se pueden clasificar en dos grupos: Distorsiones lineales: Las distorsiones lineales son ocasionadas por la frecuencia o el tiempo. Distorsiones no lineales: Las distorsiones no lineales, por el contrario, dependen de la falta de linealidad de los circuitos y son producidas por amplitud, nivel medio de imagen o por la situación de las señales de prueba Ruidos Ruidos continuos La relación señal/ruido, en el caso de ruidos aleatorios continuos, se define por la relación, en decibelios, entre la amplitud nominal pico a pico de la señal de luminancia y la amplitud eficaz (raíz cuadrada de la suma cuadrática) del ruido medido después de la limitación de la banda. La relación señal/ruido ponderado se define como la relación, expresada en decibelios, entre la amplitud nominal de la señal de luminancia y la amplitud eficaz, (raíz cuadrada de la suma cuadrática), del ruido medido después de la limitación de la banda y de la ponderación con una red especificada Ruidos de baja frecuencia La relación señal/ruido en el caso, de ruidos de baja frecuencia es la relación en decibelios, entre la amplitud de la señal de luminancia y la amplitud pico a pico del ruido después de la limitación de banda para que sólo comprenda el espectro entre 500 Hz y 10 KHz Ruidos recurrentes En el caso de ruidos recurrentes, la relación señal/ruido se define como la relación en decibelios, entre la amplitud nominal de la señal de luminancia y la amplitud cresta a cresta del ruido. Se especifican valores diferentes para el ruido en una frecuencia única comprendida entre 1 khz y el límite superior de la banda de frecuencias de vídeo y para el zumbido debido a la alimentación, incluidos sus primeros armónicos Ruidos impulsivos En el caso de ruidos impulsivos, la relación señal/ruido se define como la relación en decibelios, entre la amplitud nominal de la señal de luminancia y la amplitud pico a pico del ruido impulsivo. 22

27 12.3 Distorsiones lineales en función del tiempo Figura 33. Esquema de distorsiones lineales. El tiempo en televisión debemos acostumbrarnos a verlo como un factor fundamental dada su característica de ser una sucesión de puntos de tensión cuya finalidad es dar una serie de puntos de brillo, a una velocidad tal, que el ojo humano sea capaz de interpretarlo como una imagen. Para ello los tiempos han de ser forzosamente muy pequeños, de modo que una línea de imagen tiene 64 microsegundos y en ese tiempo se han de producir toda una sucesión de puntos de cambio de tensión, que forzosamente se harán en tiempo aún menor. Por esta razón se pueden producir distorsiones que serán lineales por corresponder a un circuito lineal Distorsiones de señal de luminancia Distorsión de forma de onda de larga duración Si a la entrada de un circuito se aplica una señal de prueba de vídeo que simula un cambio brusco en el nivel medio de imagen, de un valor alto a un valor bajo o viceversa, aparece distorsión de una señal de larga duración cuando el nivel de supresión de la señal de salida no sigue con exactitud al de la señal de entrada. Esta falta de uniformidad suele producirse en forma de oscilaciones amortiguadas de muy baja frecuencia. La señal que se emplea para medir distorsiones de larga duración y de duración de una trama es la de la figura 6.10, señal A. Consiste en una serie de líneas con señal a nivel de blanco y otra serie a nivel de negro formando en total un campo. 23

28 Figura 34. Distorsión lineal de larga duración Distorsión de señales con la duración de una trama Si a la entrada de un circuito se aplica una señal rectangular cuyo período es el de una trama y amplitud nominal de la señal de luminancia, la distorsión se define como la modificación de forma del intervalo de la señal rectangular a la salida. Para hacer la medida se excluyen algunas líneas al principio y al final. Figura 35. Distorsión lineal con duración de una trama Distorsiones de señales con duración de una línea Si se aplica a la entrada de un circuito una señal rectangular cuyo período es equivalente al de una línea y de amplitud igual a la nominal de luminancia, la distorsión se define como la modificación de forma del pedestal de señal rectangular a la salida. Se excluyen de la medida el principio y el final de la señal rectangular. Figura 36. Distorsión lineal con duración de una línea Distorsiones de señales de corta duración Si a la entrada de un circuito se aplica un impulso breve o una transición rápida de amplitud igual a la nominal de luminancia, la distorsión se define como la modificación de la forma del impulso o la transición con relación a su forma original a la salida. El impulso o la transición estará determinada por la frecuencia de corte del sistema de televisión. 24

29 Figura 39. Distorsión lineal de corta duración Distorsiones de señal de crominancia Si a la entrada de un circuito le aplica una señal de prueba en forma. de subportadora modulada en amplitud, se define la distorsión de la señal de crominancia como la modificación de la. forma de la envolvente y de la fase de la subportadora modulada en la señal de salida. Figura 40. Distorsión de la señal de crominancia Falta de uniformidad entre luminancia y crominancia Desigualdad de la ganancia Si a la entrada de un circuito se aplica una señal de prueba que tenga componentes definidos de luminancia y crominancia, la desigualdad de la ganancia se define como la variación en amplitud de la componente de crominancia en relación a la componente de luminancia, a la salida del circuito. Figura 41. Distorsión de desigualdad de ganancia Desigualdad del tiempo de transmisión Si a la entrada de un circuito se aplica una señal de prueba que tenga componentes definidos de luminancia y crominancia y la señal de luminancia se compara con la envolvente de crominancia, la desigualdad del tiempo de transmisión se define como la variación de posición en el tiempo de estas dos señales, entre la entrada y la salida. 25

30 Figura 42. Distorsión de desigualdad del tiempo de transmisión Distorsiones Lineales en función de la frecuencia Distorsión amplitud/frecuencia La característica ganancia/frecuencia del circuito se define como la variación de la ganancia en la banda de frecuencias que va de la frecuencia de trama a la frecuencia nominal de corte del sistema, referida a la ganancia en una frecuencia determinada. Figura 43. Distorsión lineal de amplitud/frecuencia Distorsión retardo de grupo/frecuencia El retardo de grupo/frecuencia se define como la variación del retardo de grupo entre la entrada y la salida del circuito en la banda de frecuencias que va desde la frecuencia de trama a la frecuencia nominal de corte del sistema, referida al retardo de grupo en una frecuencia determinada. Figura 44. Distorsión lineal de retardo de grupo/frecuencia Distorsiones no lineales Las distorsiones no lineales se clasifican en distorsiones de señal de sincronismos y distorsiones de señal de imagen. 26