2.3. Система цветного телевидения PAL
Система PAL была разработана немецкой фирмой Telefunken и принята в качестве стандарта в большинстве стран Западной Европы (Германия, Великобритания, Швеция, Австрия, Норвегия, Бельгия, Дания, Испания, Италия и др.). В настоящее время система PAL является самой распространённой в мире системой цветного телевидения. Её используют, помимо европейских государств, в большинстве стран Африки, Азии, Австралии, в некоторых странах Южной Америки. Название системы представляет собой аббревиатуру из начальных букв английской фразы "Phase Alternation Line" (чередование фазы по строкам).
Общие принципы системы
Система PAL, созданная как альтернатива системе NTSC, тем не менее, может рассматриваться как её удачная модернизация. В ней используются те же сигналы, что и в других системах цветного телевидения, а передача этих сигналов производится так же, как и в NTSC, путём квадратурной балансной амплитудной модуляции поднесущей частоты, расположенной в спектре яркостного сигнала. Отличие от системы NTSC заключается в том, что фаза одной из квадратурных составляющих сигнала цветности меняется от строки к строке на 180°. Это позволило устранить основной недостаток системы NTSC – чувствительность к дифференциально-фазовым искажениям, а также получить ещё ряд важных преимуществ.
На рисунке 3.1 показан способ формирования сигнала цветности в системе PAL. Так же, как и в системе NTSC, он образуется из двух квадратурных составляющих  . Но одна из этих составляющих,  с началом каждой следующей строки меняет фазу на 180°. Результирующие векторы сигнала цветности  оказываются в соседних строках комплексно-сопряжёнными. Чтобы правильно декодировать такую последовательность сигналов в приёмном устройстве, в синхронном детекторе сигнала  необходимо с такой же периодичностью, что и на передающем конце, коммутировать на 180° фазу опорного генератора поднесущей частоты. Коммутация фазы эквивалентна обратному превращению векторов  в их исходные комплексно-сопряжённые с ними векторы  соответственно. Условия работы синхронного детектора сигнала  не отличаются от его работы в системе NTSC.
Рис. 3.1. Коммутация фазы поднесущей при передаче сигнала
цветности в системе PAL
Рассмотрим, как при такой процедуре коммутации фазы сказываются дифференциально-фазовые искажения, возникающие в тракте передачи. На рисунке 3.2 на цветовой диаграмме в осях R–Y/B–Y отмечены некоторые характерные цвета и вектор  , соответствующий передаче пурпурного цвета. В соответствии с принципом передачи сигналов в системе PAL в (n+1)-ой строке будет передаваться вектор  , комплексно-сопряжённый с вектором . Если в тракте возникнут дифференциально-фазовые искажения, то независимо от их причин векторы и  изменят своё положение по отношению к исходным на одну и ту же величину Δφ (рисунок 3.2, б). На рисунке фазовая ошибка сместила оба вектора против часовой стрелки. В приёмном устройстве коммутация фазы опорного генератора поднесущей в канале R–Y превратит вектор в сопряжённый с ним вектор (рисунок 3.2, в). Для анализа возникших в процессе передачи искажений совместим векторы и на одном графике (рисунок 3.2, г). Из него видно, что соседние n-ая и (n+1)-ая строки искажены по-разному. Цвет n-ой строки сместился в сторону красного, а цвет (n+1)-ой строки – в сторону синего цвета. Неискажённый цвет соответствует среднему между векторами и положению. Таким образом, усреднение двух этих векторных величин позволило бы скомпенсировать возникшие в процессе передачи фазовые искажения. Наиболее простым способом усреднения является усреднение ощущений самим зрительным аппаратом. Благодаря близости расположения друг к другу n-ой и (n+1)-ой строк работает механизм пространственного сложения цветов. Разные из-за искажений цветовые оттенки двух соседних строк складываются, вызывая ощущение среднего между ними цвета, компенсируя таким образом искажения:
а) цветовая диаграмма;
б) фазовая ошибка при передаче сигнала;
в) сигналы в приёмнике после коммутации фазы опорного колебания;
г) совмещение сигналов двух смежных строк.
Рис. 3.2. Компенсация дифференциально-фазовых искажений
в системе PAL
Рассмотренный способ зрительной компенсации искажений реализуется в так называемом "простом" приёмнике PAL (Simple PAL или PALS). Изображение оказывается вполне удовлетворительным, если фазовые ошибки Δφ не превышают 25° (в NTSC – не более 5°). При больших значениях ошибки интегрирующего действия глаза уже оказывается недостаточно, появляется заметное различие цветности соседних строк поля, особенно на жёлтом, голубом и синем цветах (эффект "жалюзи"). Нелинейность модуляционных характеристик кинескопа усугубляет этот эффект. Поэтому способ зрительной компенсации фазовых искажений в системе PAL не нашёл распространения.
Лучшие результаты позволяет получить электрическое сложение векторов цветности и двух соседних строк поля (рисунок 3.3). Геометрическая полусумма этих векторов соответствует на диаграмме положению неискажённого цвета. Скомпенсированными оказываются искажения только цветового тона, поскольку длина результирующего вектора  зависит от величины фазовой ошибки Δφ. С увеличением ошибки (Δφ2 Δφ1) длина суммарного вектора уменьшается (  ). Это уменьшение пропорционально cosΔφ. Поскольку длина вектора определяет насыщенность передаваемого цвета, можно сделать вывод о том, что в системе PAL искажения цветового тона из-за фазовых ошибок трансформируются в изменения насыщенности, которые менее заметны. Так, если порог заметности по цветовому тону соответствует угловому сдвигу на цветовой диаграмме φ=5…10°, то порог по насыщенности равен примерно 20%, что соответствует углу Δφ=37°.
Механизм компенсации фазовых ошибок в системе PAL устраняет не только дифференциально-фазовые искажения. Также уменьшается влияние на качество изображения точности восстановления поднесущей опорным генератором в приёмнике. Ошибка Δφ в фазе колебаний опорного генератора эквивалентна повороту осей цветового графика относительно передаваемых векторов цветности и на тот же угол Δφ. А это, как было показано, компенсируется путём усреднения этих векторов.
Способ усреднения, основанный на суммировании, предполагает одновременное присутствие сигналов двух последовательно передаваемых строк. Поэтому приёмное устройство PAL должно включать блок задержки сигнала на длительность одной строки. Если на его вход в данный момент поступает сигнал (n+1)-ой строки, то одновременно на его выходе присутствует сигнал предшествующей n-ой строки. Подавая эти сигналы на сумматор, можно получить желаемую компенсацию искажений. Однако в декодере PAL часто используют несколько иную схему (рисунок 3.4), содержащую два сумматора. Такая схема позволяет не только проводить усреднение сигналов двух строк, но и разделять между собой две квадратурные составляющие сигнала цветности. Это разделение оказывается более эффективным, чем разделение в синхронных детекторах (как это делалось в системе NTSC), а значит, возникновение перекрёстных искажений между сигналами  менее вероятно [4].
Рис. 3.3. Компенсация цветовых искажений путём сложения сигналов соседних строк
Рис. 3.4. Блок задержки сигнала в системе PAL
Структурная схема кодирующего устройства
В системе PAL передаются яркостный сигнал  и два цветоразностных сигнала U и V. Сигналы U и V равны цветоразностным сигналам  , уменьшенным на коэффициенты компрессии:
 (3.1)
Формирование сигналов , U и V производится в матрицирующем устройстве (рисунок 3.5). Полосы частот видеосигналов U и V ограничиваются ФНЧ до 1,3 МГц на уровне –2 дБ. В сумматорах 1 и 2 цветоразностные сигналы смешиваются с импульсами, формирующими цветовую вспышку, и поступают на балансные модуляторы, которые работают в квадратуре, т.е. сдвиг между колебаниями поднесущей частоты в обоих модуляторах составляет 90°. Этот сдвиг обеспечивается фазовращателем 90°, включенным в цепь балансного модулятора составляющей UV. Смена фазы этой составляющей через строку осуществляется коммутатором, соединяющим модулятор, или непосредственно с фазовращателем 90°, или с дополнительным инвертором на 180°. Коммутация обеспечивается с помощью генератора коммутирующих импульсов, синхронизируемого с частотой строк.
Квадратурные составляющие UU и UV, складываясь в сумматоре 3, образуют сигнал цветности US, который вместе с сигналами яркости и синхронизации приёмника представляет собой полный цветовой (композитный) сигнал UV. Линия задержки в тракте яркостного сигнала имеет то же назначение, что и системах NTSC и SECAM.
Рис. 3.5. Структурная схема кодирующего устройства системы PAL
Генератор поднесущей частоты является высокостабильным устройством с кварцевой стабилизацией частоты, значение которой fS =4,43361875 МГц. Так же, как и в системе NTSC, обеспечивается жёсткая связь между частотой поднесущей и частотами развёрток. Однако выбор самого значения поднесущей в системе PAL имеет свои особенности.
Прежде всего, они связаны с коммутацией сигнала UV (каждую строку на 180°). Такая коммутация делает невозможным выбор поднесущей, равной нечётной гармонике полустрочной частоты (см. (1.4)). В этом случае нечётность полупериодов поднесущего колебания в строчном интервале плюс коммутация фазы на 180° обусловили бы совпадение по фазе сигнала UV во всех строках изображения. А это привело бы к увеличению заметности поднесущей на изображении в виде вертикальной линейчатой структуры. В свою очередь, нельзя выбрать значение поднесущей, кратной строчной частоте, так как составляющая UU, передаваемая без коммутации фазы, создаёт такую же помеху.
Разработчиками системы было принято компромиссное решение. Частоту поднесущей выбрали равной сумме нечётной гармоники четвертьстрочной частоты fZ и частоты кадров:
 . (3.2)
Приближенно эта зависимость может быть выражена как
 ,
что определяет размещение в строчном интервале 284 периодов поднесущей без одной четверти. Таким образом, в системе PAL реализуют в отличие от системы NTSC не полустрочный сдвиг, а так называемый четвертьстрочный сдвиг гармоник сигнала цветности относительно гармоник строчной частоты. Слагаемые кадровой частоты fкадр в (3.2) обусловливают дополнительную смену полярности поднесущей в каждом поле на 180°. Эксперименты показали, что такой выбор поднесущей обеспечил высокое качество совместимости системы PAL.
Структура спектра цветового сигнала в системе PAL отличается от спектра сигнала в системе NTSC приближением гармоник цветности к гармоникам яркостного сигнала (интервал между ними составляет ¼fZ). Это несколько усложняет, но не исключает возможности гребенчатой фильтрации при разделении этих сигналов в приёмнике.
В наиболее распространённом европейском стандарте системы PAL полный цветовой сигнал ограничивается по полосе в пределах 0…5 МГц. При указанном значении поднесущей частоты высшие боковые колебания сигнала цветности для обеих квадратурных составляющих UU и UV оказываются несимметрично подавленными. В системе NTSC такое ограничение двух квадратурных сигналов привело бы в приёмном устройстве к перекрёстным искажениям между ними. В системе PAL принцип построчной коммутации сигнала делает эти искажения минимальными, практически не сказываясь на качестве изображения.
Особенности сигнала цветовой синхронизации
Применение балансной модуляции требует синхронизации с точностью до фазы опорного генератора в приёмнике. Поэтому в системе PAL так же, как и в системе NTSC, на задней площадке строчного гасящего импульса передаётся сигнал цветовой синхронизации (цветовая вспышка), по форме аналогичный сигналу NTSC (см. рисунок 1.4). Различие этих сигналов заключается в фазе колебаний вспышки. В системе PAL необходимо передавать информацию о том, в какой фазе (90° или 270°) передаётся в данной строке составляющая UV. Эта информация кодируется изменением фазы колебаний цветовой вспышки. При передаче сигнала UV, совпадающего по фазе с положительным направлением оси R–Y, фаза цветовой вспышки делается равной 135°. В следующей строке сигнал UV меняет свою фазу на 180°, соответственно изменяется фаза вспышки (-135°).
Формирование цветовой вспышки в кодирующем устройстве сводится к замешиванию в сигналы U и V прямоугольных импульсов отрицательной и положительной полярности соответственно. Этими импульсами, временное положение которых соответствует задней площадке строчного гасящего импульса, в балансных модуляторах будут созданы две квадратурные составляющие вспышки. Одна из этих составляющих всегда совпадает с отрицательным направлением оси B–Y (180°), другая – с положительным или отрицательным направлением оси R–Y (90° или 270°). Результирующий вектор цветовой вспышки при равных по амплитуде импульсах будет иметь фазу +135°.
Структурная схема декодирующего устройства
В настоящее время существует большое разнообразие каналов цветности PAL. На рисунке 3.6 приведена укрупнённая структурная схема широко распространённого варианта, в котором используется рассмотренный ранее на рисунке 3.4 блок задержки. Этот канал получил название PALD (от слова delay – задержка).
Рис. 3.6. Декодирующее устройство системы PAL
Полный цветовой сигнал UП разделяется с помощью режекторного и полосового фильтров на два сигнала: яркости и цветности US. Фильтры настроены на частоту цветовой поднесущей fS = 4,43 МГц. Канал яркостного сигнала практически ничем не отличается от соответствующих каналов в декодерах NTSC и SECAM. Сигнал цветности, прежде чем поступить на блок задержки, подвергается автоматической регулировке усиления (АРУ), производимой по амплитуде цветовой вспышки. Последняя выделяется из полного сигнала клапанной схемой Кл с помощью стробирующих импульсов, формируемых из импульсов строчной синхронизации. Блок задержки, содержащий ультразвуковую линию задержки (УЛЗ), инвертор на 180° и два сумматора, был рассмотрен ранее. Но следует уточнить время задержки УЛЗ.
Принцип работы системы PAL предполагает время задержки равным длительности строчного интервала, т.е. 64 мкс. Однако для правильной работы сумматоров необходимо ещё учитывать фазовые соотношения прямого и задержанного сигналов. А они таковы, что сдвиг по фазе между этими сигналами в соответствии с выбором поднесущей частоты составляет четверть периода поднесущего колебания (см. (3.2)). При таких условиях в сумматорах не произойдёт разделения квадратурных составляющих UU и UV. Для правильного функционирования сумматоров необходимо, чтобы прямой и задержанный сигналы находились либо в фазе, либо в противофазе. Только тогда сложением или вычитанием компенсируется одна из квадратурных составляющих, и сигналы разделяются. Достичь этого можно, если задержка будет составлять целое число полупериодов поднесущей частоты. Ближайшими к длительности строчного интервала являются значения задержки:
 ,
где TS – период полустрочной частоты. Было выбрано второе значение, и УЛЗ системы PAL изготовляют с задержкой:
 . (3.3)
Отличие величины задержки от длительности строки оказывается очень небольшим, примерно 57 нс, и не приводит к появлению упоминаемых ранее искажений в виде зазубренности вертикальных цветовых переходов. Установлено, что подобные искажения становятся заметными, если рассовмещение прямого и задержанного сигналов будет превышать размеры одного элемента изображения (80 нс). Требование к погрешности задержки составляет в УЛЗ PAL около 5 нс, что позволяет использовать эту линию в декодерах SECAM.
Выбор величины задержки в системе PAL, равной нечётному числу полупериодов поднесущей, обусловливает противофазность сигнала UU в двух соседних строках и соответственно синфазность сигнала UV. Поэтому в структурной схеме на рисунке 3.6 инвертор на 180° перенесён из канала UV в канал UU (для сравнения см. рисунок 3.4).
Разделенные в блоке задержки сигналы UU и UV подаются на входы двух синхронных детекторов, осуществляющих демодуляцию цветоразностных сигналов .
Необходимые для работы синхронных детекторов опорные колебания поднесущей вырабатываются генератором fS, частота и фаза которого управляются сигналом цветовой синхронизации (цветовой вспышкой). Управляющий сигнал вырабатывается в устройстве фазовой автоподстройки частоты, содержащем кроме генератора fS фазовый детектор (ФД) и ФНЧ. Генератор вырабатывает колебания, фаза которых совпадает с положительным направлением оси R–Y (90°). При этом на выходе ФД вырабатываются симметричные разнополярные импульсы, соответствующие чередованию фазы вспышки 135°. Напряжение на выходе ФНЧ, выделяющего постоянную составляющую из этих импульсов, будет равно в этом случае нулю. Если фаза колебаний генератора fS не совпадёт с осью R–Y, амплитуды импульсов на выходе ФД не будут равны, и ФНЧ выработает управляющее напряжение, которое подстроит фазу генератора. Сдвиг фазы генератора на –90° обеспечит опорное колебание для синхронного детектора B–Y. На этот детектор подаётся поднесущая, у которой фаза коммутируется через строку (90°/270°).
Коммутатор фазы в приёмном устройстве должен работать синфазно с коммутацией сигнала UV на передающем конце системы. Для этого генератор коммутирующих импульсов управляется устройством цветовой синхронизации. В этом устройстве в качестве признака того, какой в данный момент времени передаётся сигнал ( ), передаются разнополярные импульсы с выхода ФД.
Кроме того, устройство цветовой синхронизации закрывает канал цветности и выключает режекцию в яркостном канале, если передаётся чёрно-белая программа или принимается сигнал другой вещательной системы.
Эксплуатационные характеристики системы
цветного телевидения PAL
Система PAL обладает следующими дополнительными эксплуатационными характеристиками в сравнении с системой NTSC:
малая чувствительность к фазовым искажениям сигнала цветности на поднесущей. Поэтому допускается ошибка фазы сигнала цветности относительно колебаний поднесущей 40° в приёмнике типа PALD. В приёмниках другого типа [2] искажения насыщенности цвета и цветового тона не возникают при фазовой ошибке до 80°;
передаваемый сигнал содержит информацию, необходимую для передачи без искажений цветности каждой строки, что исключает мерцание строк;
малая чувствительность к несимметрии боковых колебаний сигнала цветности на поднесущей (т.е. низкая чувствительность к ослаблению одной боковой полосы этого сигнала). В приёмнике перекрёстные помехи при отсутствии фазовой ошибки не возникают;
помехи от составляющих сигнала яркости создают в приёмнике цветного телевидения меньшие помехи (кроссколор), чем в системе NTSC;
благодаря усреднению цветностей соседних строк поля не возникает мерцающий муар на горизонтальных границах между различными цветами;
малая чувствительность приёмника к эхо-сигналам. При многолучевом приёме искажения амплитуды и фазы сигнала цветности на поднесущей не создают в приёмнике недопустимых искажений;
простота преобразования сигналов системы PAL в сигналы системы NTSC и обратно.
Система PAL имеет следующие недостатки:
цветовая чёткость изображения по вертикали из-за усреднения цветностей двух соседних строк растра понижена по сравнению с системой NTSC;
высокая чувствительность приёмника к ослаблению амплитуды сигнала цветности на поднесущей (относительно сигнала яркости);
некоторое усложнение приёмника в сравнении с приёмником NTSC из-за применения в нём ультразвуковой линии задержки высокой точности и стабильности;
сложность регулировки в приёмнике цветового тона изображения. Регулировка фазы сигнала цветности на поднесущей не даёт эффекта, так как изменение фазы, как и фазовые ошибки, в приёмнике PAL автоматически устраняются (компенсируются). Поэтому регулировка цветового тона должна осуществляться путём изменения отношения видеосигналов  или путём изменения режима трёх электронных прожекторов кинескопа;
приёмник типа PALS не обеспечивает высокого качества изображения при наличии фазовых искажений (во избежание этого недостатка необходимо применять приёмник с линией задержки на одну строку).
|
