Анатомия компонентных сигналов - Часть I

Журнал "Равно АВ", 1 (1), январь-март 2007

Наше поколение живет в эпоху научно-технической революции, но поскольку мы находимся «внутри процесса», то не замечаем стремительной смены поколений окружающих нас технических устройств. Если раньше бытовая техника могла служить десятилетиями, то сейчас за два-три года она безнадежно устаревает – появляются новые идеи, новые технологии и материалы, которые позволяют эти идеи реализовать.

С момента создания первых искровых передатчиков радиоэлектронная аппаратура была аналоговой. Однако после Второй мировой войны, когда был изобретен биполярный и полевой транзистор, были разработаны первые интегральные микросхемы, цифровые технологии начали завоевывать себе место под солнцем. С точки зрения схемотехники цифровая аппаратура сложнее аналоговой, однако ее функциональные возможности гораздо шире, а некоторые из них принципиально недостижимы при аналоговой обработке сигнала. Несмотря на это, в области современных телевизионных технологий аналоговые видеосигналы применяются весьма широко и не собираются уходить в прошлое.

Проблема цифрового представления видеосигнала состоит в том, что ширина его спектра во много раз больше ширины спектра такого же видеосигнала, но в аналоговой форме. Современные системы цифрового телевидения, на которые постепенно переходят во всем мире, не способны работать с несжатым сигналом. Его приходится кодировать с помощью алгоритма MPEG, а это, как известно, алгоритм с потерей качества. Вот и выходит, что несмотря на развитие и совершенствование цифровых технологий, проще и дешевле для передачи видеосигнала на большие расстояния пользоваться аналоговыми видеоформатами: и ширина спектра сигнала вполне приемлема, и парк оборудования обширен, да и технологии отработаны до совершенства.

Цифровые интерфейсы DVI и его развитие HDMI – это, в общем, интерфейсы хоть недалекого, но будущего, да и предназначены они для решения других задач.

Аналоговый видеосигнал, используемый в современных телевизионных системах, может быть композитным и компонентным.

КОМПОЗИТНЫЕ ВИДЕОСИГНАЛЫ

Композитный (CV, composite video) – это простейший вид аналогового видеосигнала, в котором информация о яркости, цвете и синхронизации передается в смешанном виде. На ранних этапах развития видеотехники именно композитный сигнал передавался по коаксиальному кабелю, соединявшему видеомагнитофоны или видеоплееры с телевизорами. Более совершенным вариантом композитного сигнала является сигнал S-Video. Этот вид аналогового видеосигнала обеспечивает раздельную передачу сигнала яркости (Y) и двух объединённых сигналов цветности (C) по независимым кабелям, из-за чего этот сигнал называют еще YC. Поскольку сигналы яркости и цветности передаются раздельно, сигнал S-Video занимает значительно более широкую полосу частот, чем композитный. По сравнению с композитным видеосигналом, S-Video обеспечивает заметный выигрыш в чёткости и устойчивости изображения, в меньшей степени – в цветопередаче. S-Video широко используется в полупрофессиональной аппаратуре, вещательными студиями, а также при записи на 8-мм пленку в стандарте Hi-8 фирмы Sony.

Для телевидения высокой четкости и компьютерного видео эти интерфейсы не подходят, поскольку не обеспечивают необходимого разрешения изображения.

КОМПОНЕНТНЫЕ ВИДЕОСИГНАЛЫ

Для достижения максимального качества изображения и создания видеоэффектов в профессиональном оборудовании видеосигнал разделяется на несколько каналов. Например, в системе RGB видеосигнал делится на красный, синий и зеленый компоненты, а также сигнал синхронизации. Такой сигнал еще называют сигналом RGBS, наибольшее распространение он получил в Европе. В зависимости от способа передачи сигналов синхронизации сигнал RGB имеет несколько разновидностей. Если синхроимпульсы передаются в канале зеленого цвета, то сигнал называют RGsB, а если сигнал синхронизации передается во всех цветовых каналах, то RsGsBs.

Для подключения сигнала RGBS используют кабели с четырьмя разъемами BNC или разъем SCART.

Таблица 1
Назначение контактов разъема SCART

В системе YUV, получившей распространение в США, используют другой набор компонентов: смешанный сигналы яркости и синхронизации, а также красный и синий цветоразностные сигналы. Для каждой компонентной системы требуется свой тип оборудования, каждая обладает своими достоинствами и недостатками. Для объединения устройств различных видеоформатов необходимы специальные интерфейсные блоки. Разъёмы на концах кабелей обычно бывают RCA или BNC.

Путь формирования видеосигнала таков: изображение раскладывается на сигналы трех первичных цветов: красного (Red – R), зеленого (Green – G) и синего (Blue – В) – отсюда и название «RGB», к которым добавляются сигналы горизонтальной и вертикальной синхронизации (HV), а затем превращается в RGB-сигнал с синхроимпульсами в канале зеленого (RGsB), который далее преобразуется в: компонентный (цветоразностный) сигнал YUV, где Y=0,299R+0,5876G+0,114В; U=R–Y; V= В–Y, преобразуемый затем в сигнал S-Video и композитный видеосигнал. Композитный видеосигнал преобразуется в радиочастотный сигнал, сочетающий аудио- и видеосигналы. Затем он модулируется несущей частотой и превращается в эфирный телесигнал.

На приемной стороне радиочастотный сигнал в результате демодуляции преобразуется в композитный видеосигнал, из которого в свою очередь в результате ряда преобразований получают компоненты RGB и HV.

Компонентный сигнал YPbPr преобразуется в RGB + HV в обход многих цепей видеотракта. Разделение цветоразностных сигналов Pb и Pr по отдельным каналам существенно повышает точность передачи фазы цветовой поднесущей, а настройка цветового тона не требуется.

Сигналы телевидения высокой четкости (ТВЧ, HDTV) 720p и 1080i всегда передаются в компонентном формате, ТВЧ в композитном или s-video форматах не существует. Когда зарождался формат DVD, было решено, что при оцифровке материала для записи на DVD именно компонентный сигнал будет переводиться в цифровой вид, а затем обрабатываться по алгоритму MPEG-2 сжатия видеоданнных. Сигнал RGB на выходе DVD-плеера получается из компонентного сигнала YUV.

Важно отметить различие между соотношением цветовых компонент в RGB и компонентном сигнале формата YUV (YPbPr). В цветовом пространстве RGB относительное содержание (вес) каждой цветовой компоненты одинаково, тогда как в YPbPr оно учитывает спектральную чувствительность человеческого глаза.

Ограничения по расстоянию передачи компонентных разновидностей видеосигнала от источников сигнала к приемникам сведены в таблицу 2 (для сравнения приведены и некоторые цифровые интерфейсы).

Таблица 2