Signaluppbyggnad och modulationsmetod för färg-tv mottagning.

2003-03-03 Institutionen för elektrovetenskap Projekt i Radioelektronik: Signaluppbyggnad och modulationsmetod för färg-tv mottagning. Handledare: Göran Jönsson Utförd av: Magnus Rosell och Henrik Magnusson

Abstract A television has everyone seen, but how does the technology behind it works. The technology is old and therefore there has to be many clever solutions that make it still going strong. Some of these solutions and their background are here investigated, and they are very clever and something you can learn from. - 1 -

Innehåll Abstract... 1 Innehåll... 2 1 Inledning... 3 1.1 Del A... 3 1.2 Del B... 3 2 Teori... 4 2.1 Del A... 4 2.2 Del B... 5 3 Metod... 6 3.1 Del A... 6 3.2 Del B... 6 4 Resultat... 7 4.1 Del A... 7 4.2 Del B... 8 5 Diskussion... 11 5.1 Del A... 11 5.2 Del B... 11 6 Appendix... 12 7 Referenser... 13-2 -

1 Inledning Den signal som mottagaren i en televisionsapparat tar emot är en noga genomtänkt och innehållsrik signal. Ljud, färg (krominans), ljusstyrka (luminans) och synkroniseringssignaler är några exempel på dess innehåll. När tv systemet skulle standardiseras togs ett flertal parametrar fram som skulle vara optimala ur många aspekter. I denna rapport undersöks videosignalens parametrar för bild- och linjeuppdatering. Vidare studeras färgmottagning och dess modulationsmetod samt demodulering i mottagaren. För att få en bättre överblick delas rapporten in i två delar. 1.1 Del A Den teoretiska bakgrunden till ögats begränsningar jämförs med den faktiska signal, videosignalen, som används vid återskapandet av bilden. Vad är det som fått ingenjörerna att välja parametrarna såsom de ser ut? Kompositvideosignalens uppbyggnad undersöks, dess innehåll granskas och förklaras översiktligt. Tyngden ligger på de egenskaper som skapar en sevärd, flimmerfri bild. 1.2 Del B Den från antennen mottagna signalens uppdelning i mottagaren beskrivs översiktligt. Vidare detaljgranskas de signaler som skapar bilden, luminans och krominans. Hur de är uppbyggda och varför. Krominanssignalens överföringssätt och demodulationsmetod samt en metod för eliminering av fasfel (fasalternering) förklaras. Översiktligt beskrivs och förklaras några andra standarder för överföring av intensitet och färginformation. - 3 -

2 Teori Bilden på TV:n bildas genom att ett katodstrålerör accelererar elektroner som blir till en stråle vilken träffar ett skikt av fluorescerande material på insidan av glasrutan. När elektronstrålen träffar skärmen så kommer det fluorescerande skiktet att avge ljus under en viss begränsad tid (efterlysningstid), vars styrka är proportionell mot elektronstrålens intensitet. På insidan av det fluorescerande skiktet sitter ett lager av aluminium som har förmågan att släppa igen elektroner men reflektera ljus. Detta gör att allt ljus reflekteras rakt framåt. Elektronstrålen styrs av ett magnetfält som tvingar elektronstrålen att svepa enligt ett linjemönster, se figur 2.1a. Linjerna ritas från vänster till höger med början i överkant av bilden. När en linje fullbordats släcks elektronstrålen och återgår till vänsterkanten där nästa linje påbörjas, detta upprepas tills en hel bild ritats upp. När hela bilden är uppritad släcks elektronstrålen och återgår till övre högra hörnet. a) Elektronstrålens gång på bildskärmen. [1] Figur 2.1. b) Elektronstrålens väg från kanon till bildskärm i Trinitonbildröret. [1] Färgerna i bilden skapas genom att tre elektronstrålar träffar tre olika intilliggande skikt (röd, grön och blå) som tillsammans skapar en resulterande färg. Generering av färg i Trinitonbildröret sker enligt figur 2.1b ovan. En elektronkanon genererar tre strålar vilka först passerar två elektronlinser för fokusering och därefter ett elektroniskt prisma. Prismats uppgift är att få elektronstrålarna att stråla samman vid färgfördelningsgallret. Färgfördelningsgallret gör så att respektive elektronstråle träffar rätt färgskikt. 2.1 Del A Det mänskliga ögat har en oerhörd förmåga att uppfatta detaljer. Dock har det, som så mycket annat, begränsningar, t.ex. tröghet, d.v.s. oförmåga att uppfatta snabba förändringar. När förändringar i omgivningen är snabbare än ögats tröghet så upplevs förändringarna som en kontinuerlig rörelse. Däremot om de snabba förändringarna sker saktare än ögats tröghet upplevs ett flimmer. Den gräns där ögat upplever flimmerfri kontinuitet går vid 48 förändringar per sekund. En annan begränsning är ögats upplösning, d.v.s. för- - 4 -

måga att urskilja närliggande detaljer. Denna förmåga beror på ett flertal faktorer såsom avstånd till och storlek hos objektet. 2.2 Del B När ögat träffas samtidigt av två eller flera färger upplevs en ny resulterande färg, t.ex. vitt som består av ett flertal färger. Utifrån de tre grundfärgerna röd, grön och blå (RGB) kan därför alla synliga färger återskapas. Ögat har inte samma krav på detaljrikedom på färgade bilder som svartvita, d.v.s. färgade bilder kan ha en lägre upplösning men ändå uppfattas lika skarpa som en svartvit med högre upplösning. - 5 -

3 Metod 3.1 Del A Litteraturstudier om seendets fysiologi och begreppen ljus och färg genomfördes. En mönstergenerator användes för generering av testbild till en färg- TV. Den detekterade videosignalen, i form av en framdragen mätpunkt på TV:n, studerades med ett oscilloskop. För att erhålla stabil bild på mätinstrument användes extern trigg från mönstergeneratorn. Den uppmätta videosignalen jämfördes med teorin för det mänskliga ögats begränsningar. 3.2 Del B Litteraturstudier rörande färgvideosignalen, PAL systemet samt modulationsmetoder genomfördes. Kompositvideosignalen studerades med oscilloskop och spektrumanalysator för ökad förståelse. För möjlighet att titta på fasskiften i krominanssignalen utnyttjades det analoga oscilloskopets samtliga funktioner. Extern trigg från mönstergeneratorn användes, likaså oscilloskopets funktion för fördröjt svep och med det justeringar för fördröjd tidbas. - 6 -

4 Resultat 4.1 Del A Vid uppmätning av videosignalen med hjälp av oscilloskop konstaterades att videosignalen består av ett antal sammansatta signaler, bl.a. färgbalksignalen se figur 4.1. I bilden syns från vänster till höger; linjesläckpuls, färgsynksignal (burst), 8 luminansnivåer med överlagrad krominans och sist syns ännu en linjesläckpuls. Ur videosignalen urskiljdes även bildsläckpulser. Bildsläckpulserna är bredare än linjesläckpulserna vilket gör det lätt att skilja dessa i mottagaren. Med en uppmätt periodtid mellan bildsläckpulser på 20 ms och mellan linjesläckpulser på 64 µs går det 20ms/64µs=312,5 linjer mellan varje bildsynkpuls. Dock kan man med noggrannare avläsning se att endast vartannat intervall mellan bildsläckpulserna är identiska. Detta innebär att det krävs två stycken avsökningar i vertikalled för att få en hel bild. I första vändan ritas udda linjer och i andra jämna. Genom att på detta sätt rita varannan linje och avsöka bilden två gånger uppfattas detta hos ögat som den dubbla bildfrekvensen, d.v.s. 1/20ms=50 Hz. Enligt teorin låg gränsen för flimmerfrihet hos ögat på 48 Hz och därför uppfattas bilden som flimmerfri. Upplösningen på bilden definieras som största antalet växlingar mellan svart och vitt som kan urskiljas i horisontal och vertikalled när bilden utgörs av ett standardiserat provmönster. Upplösningen i vertikalled är därför lika med antalet linjer d.v.s. 625st. I horisontalled bestäms upplösningen av antalet växlingar mellan svart och vitt som är möjliga på en linje. Snabba språng mellan färgväxlingarna kräver höga frekvenser d.v.s. stor bandbredd. Denna är begränsad genom standardisering till 5 MHz vilket i praktiken innebär att upplösningen i horisontalled blir lika med upplösningen i vertikalled, vilket är önskvärt. Figur 4.1. Färgbalksignal. [1] De olika likspänningsnivåerna i färgbalksignalen styr elektronernas hastighet, d.v.s. en högre amplitud ger högre elektronhastighet och därmed högre anslagsenergi mot det fluorescerande materialet. Vid jämförelse med signal från mönstergeneratorn bekräftas teorin med att högsta amplituden ger störst intensitet, d.v.s. vitt. De snabbt varierande signalerna som ligger överlagrade på de olika amplitudnivåerna enligt figur 4.1 är krominanssignalen. Likspänningsnivån beskriver, som sagt, intensiteten och färgen beskrivs av fasen hos krominanssignalen. - 7 -

4.2 Del B För att skapa ett färgmönster i TV mottagaren krävs tre signaler R, G och B. Dessa kan skickas var för sig och mottagaren blir då enklare men uppfyller ej de krav som var bestämda för svartvita sändningar, bl.a. p.g.a. att signalen då tar för stor plats i det elektromagnetiska spektrumet. Ett av de viktigaste kraven på färgsändningar är att samma signal skall kunna detekteras av både färg och monokroma TV mottagare. Självklart skulle även svartvita sändningar kunna visas på en färg-tv. Av denna anledning används signaler som fanns redan i de monokroma utsändningarna till vilka färginformationen, krominanssignalen, adderas. Den signal som överlagras på luminanssignalen, Y, är krominanssignalen F, som endast innehåller färginformation utan intensitetsinformation. Luminanssignalen, Y, är en summa av intensiteten hos de olika färgsignalerna R, G och B enligt: Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B. Luminanssignal sammansättning innebär att en bilds olikfärgade detaljer vid en svartvit återgivning ger upphov till olika nyanser i gråskalan. Utan detta samband skulle olika färger med samma intensitet inte vara skiljbara från varandra. Krominanssignalen beskriver färgens mättnad och dominerande våglängd. För att erhålla endast denna information subtraheras intensiteten från de tre signalerna R, G och B. Då erhålls färgdifferenssignalerna R-Y, G-Y samt B- Y. Eftersom värdet för en tredje differanssignal kan beräknas utifrån de andra två och luminansen räcker det att sända två av de tre färgdifferanssignalerna, R-Y och B-Y. Om de två färgdifferenssignalerna ansätts på två ortogonala koordinataxlar enligt figur 4.2a. beskrivs färgmättnaden av avståndet från origo och vinkeln α beskriver färgen hos den resulterande signalen. På detta sätt kan samtliga färger beskrivas, färgernas plats i koordinatsystemet visas i figur 4.2a. Eftersom signalen både kan variera i amplitud och fas krävs en modulationsmetod som klarar av detta, kvadraturmodulering. Kvadraturmodulering innebär att de två signalerna moduleras med samma bärvåg men 90 o fasförskjutna och därefter adderas samman, se figur 4.2b. gul röd R-Y magenta α Färgbärvågsgenerator B-Y B-Y Modulato grön blå cyan B-Y Fasvridnings -nät R-Y R-Y Modulato Additions -steg a) De olika färgernas position i R-Y B-Y koordinater. Figur 4.2. b) Kvadraturmodulering av färgdifferenssignaler. För att spara energi och bandbredd undertrycks bärvågen hos krominanssignalen och endast sidband sänds. I mottagaren måste därför färgbärvågen - 8 -

återskapas lokalt med hjälp av en oscillator. Eftersom informationen återfinns i fasläget hos krominanssignalen krävs en god fasreferens. Därför används färgsynksignal, s.k. burst, vilken återfinns i linjesläckpulsen. Färgbärvågen och fasreferensen används sedan för att demodulera krominanssignalen, d.v.s. för att dela upp krominanssignalen i de båda färgdifferenssignalerna R-Y och B-Y. Utifrån dessa beräknas sedan grönddifferenssignalen, G-Y. Den radiofrekventa signalens väg från sändare till mottagare består av ett flertal steg som kan skapa fasvridning. Kanal, förstärkare, reflektioner och felanpassade antenner är några exempel på fasvridande faktorer. Eftersom även bursten, färgsynkroniseringssignalen, fasvrids skapas en vridning i detekteringen vilket resulterar i en felaktig färgåtergivning. Detta problem har, i PAL systemet, löst på ett mycket finurligt sätt. Hos varannan mottagen linje skiftas R-Y axelns fasläge 180 o, den fördröjs sedan en linjetid, 64 µs, varefter de båda adderas, se figur 4.3. För att detta skall fungera krävs att fasen alterneras även i sändaren, samt att krominansen inte förändras nämnvärt på en linjetid. På grund av additionen sker en ökning i amplituden som måste kompenseras, detta sker enkelt med en spänningsdelare. Hela mottagarförloppet beskrivs översiktligt enligt blockschemat i figur 6.1. i appendix sidan 12 I mottagaren delas först den översända signalen upp i luminanssignalen (Y), krominanssignal (F), synksignaler och ljudsignal. Ljudsignalen har ej nämnts tidigare men det är bara en vanlig frekvensmodulerad signal, med en bärvågsfrekvens 5,5 MHz högre relativt videosignalens bärvåg. I mottagaren demoduleras ljudsignalen med hjälp av en FM-detektor. Figur 4.3. PAL-systemets princip för fasfelskompensering. Synksignalerna delas upp i linjesynk och bildsynk pulser som används för att tidssynkronisera uppritningen med elektronstrålen. Krominanssignalen - 9 -

som ovan beskrivits består av R-Y och B-Y signalerna. Det som händer i blockschemat är att signalerna kompenserar för fasfel enligt figur 4.3 samt transformeras till kartetiska koordinater. I matrisen kommer R-Y, B-Y och Y in och därigenom räknas R, G och B enkelt ut. - 10 -

5 Diskussion 5.1 Del A När standarden för PAL sändningar togs fram, hade man ett antal faktorer att utgå ifrån. Bl.a. krävs en bilduppdateringsfrekvens på en multipel av elnätsfrekvensen, som är 50 Hz i Europa, för att undvika nätbrum. Efter mätningar och litterära undersökningar kan fastställas att de, i detta projekt, undersökta parametrarna är valda med liten marginal. För flimmerfrihet krävs en bilduppdateringsfrekvens på 48 Hz. I PAL systemet har valts att rita halva bilden 50 gånger per sekund, detta skapar en illusion att bilduppdateringsfrekvensen blir 50 Hz. Utan djupare inblick i problematiken ställs kanske frågan varför inte hela bilden ritas upp direkt, 50 gånger i sekunden. TV signalens bandbredd är direkt proportionell mot antalet linjer som ritas upp per sekund, en halvering av antalet linjer ger en halvering av bandbredden. Med trängseln i det elektromagnetiska spektrumet i åtanke är anledningen då inte så svår att förstå. 5.2 Del B För att återge en färg så krävs tre signaler. Dessa signaler måste behandlas och läggas in i gemensam sänd signal med hjälp av bl.a. kvadraturmodulering. Denna signal måste samtidigt vara bakåtkompatibel. Detta har lösts på så sätt att man har delat upp signalen i krominans och luminans. Luminansen är den signal som den svartvita mottagaren använder för att återge gråskala. För att kompensera för ögats skilda känslighet för olika färger utnyttjas luminansekvationen. Färginformationen överförs i krominanssignalen vilken inte detekteras av en svartvit mottagare, varför det blir bakåtkompatibelt. Eventuella fasfel som uppkommer under överföringen kompenseras i PAL systemet genom fasalternering. De krav som ställdes på bandbredden vid överförandet av svart/vit information gäller även för PAL-systemet. Man måste alltså hålla sig inom 0 Hz till 5 MHz och måste samtidigt ge minsta möjliga störning i en svart/vit återgivning. Dessa förutsättningar och att ögat har en förmåga att uppfatta färger med sämre noggrannhet än svartvit har bidragit till att vi har de parametrarna som gäller för PAL-systemet. Trots att PAL har funnits en längre tid så har de tekniska problemen lösts såpass bra att det fortfarande är aktuellt. Vid detektering av kompositvideosignalen blir det lätt lite felaktigheter samt ofrånkomligt brus. Om istället överföring sker av de olika delarna var för sig så elimineras en stor del av möjliga felkällor i överföringskedjan. Detta faktum har utnyttjats vid överföringar mellan sändare och mottagare när dessa förhåller sig så att en RF modulerad signal ej är nödvändig, t.ex. från en DVD spelare. Exempel på olika standarderna för denna typ av överföring är s-video (Y,F) och komponentvideo (Y,R-Y,B-Y). Vid överföring med S-video överförs krominanssignalen för sig och luminanssignalen för sig. Här frångås upp och nerblandning av luminans och krominanssignal, detta innebär att ett flertal steg i mottagaren blir överflödiga, i relation till kompositvideo. Komponentvideo är en ytterligare förfining jämfört med s- video. Här överförs färgdifferenssignalerna direkt och det som återstår för mottagaren att göra är beräkning av G-Y. - 11 -

6 Appendix Figur 6.1. Blockschema för färgtv-mottagare. [2] - 12 -

7 Referenser [1] Evert Enstedt, TV-teknikens grunder, Studentlitteratur 1988. [2] Göran Jönsson, Laborationer i radioelektronik, Lunds Tekniska Högskola 1993. [3] Per Engström, Televisionsteknik, Studentlitteratur 1974. - 13 -