Prof. Alexandre A. P. Pohl

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1 PR UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ FUNDAMENTOS DE TV DIGITAL Prof. Alexandre A. P. Pohl Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial - CPGEI 1 Compatibilidade na Migração Para os 3 padrões (NTSC, PAL e SECAM) : Um receptor monocromático deve reproduzir, em preto e branco, o conteúdo de luminância de um sinal de cor, sem interferência da informação de cor. Um receptor colorido deve reproduzir o sinal monocromático em escalas de cinza, sem vestígios de informação de cor. Compatibilidade de varredura: o sinal usado para a transmissão do sistema de cores deve ser o mesmo que o usado no sistema monocromático. Compatibilidade de canal: o sinal do sistema a cores deve possuir a mesma largura de banda do canal monocromático e usar o mesmo espaço entre a portadora de vídeo e a de som. 2 1

2 Modelo de Cor RGB Modelo de cor aditivo no qual as cores primárias são: vermelho (R), verde (G) e azul (B) É um espaço para reprodução de cores dependente do dispositivo. Diferentes dispositivos reproduzem um determinado valor RGB de forma diferente, uma vez que os elementos de cor (fósforos ou corantes) podem variar de fabricante para fabricante. Necessidade de gerenciamento de cores entre dispositivos (TV e câmeras de vídeo, scanners, câmeras digitais). 3 CROMINÂNCIA Além do sinal de luminância, o sinal composto carrega as informações de cor (matiz e saturação). Matiz deve ser entendido como o tom da cor A saturação indica quanto a cor está diluída pelo branco. As cores saturadas são vívidas. 4 2

3 Y = 0,299 R + 0,587 G + 0, 114 B Cor Branca: Cor Amarela: Cor Cyan: Cor Verde: Cor Magenta: Cor vermelha: Cor azul: Cor preta: Y = 0,3x(1) + 0,59x(1) + 0,11x(1) = 1 Volt Y = 0,3x(1) + 0,59x(1) + 0,11x(0) = 0,89 Volt Y = 0,3x(0) + 0,59x(1) + 0,11x(1) = 0,70 Volt Y = 0,3x(0) + 0,59x(1) + 0,11x(0) = 0,59 Volt Y = 0,3x(1) + 0,59x(0) + 0,11x(1) = 0,41 Volt Y = 0,3x(1) + 0,59x(0) + 0,11x(0) = 0,30 Volt Y = 0,3x(0) + 0,59x(0) + 0,11x(1) = 0,11 Volt Y = 0,3x(0) + 0,59x(0) + 0,11x(0) = 0,00 Volt 5 Cor no Sistema de TV Analógico Representação de um sinal (código de barras) com 8 cores em um gráfico Y x t. 6 3

4 Sinais Diferença de Cor As informações de matiz e saturação estão contidas nos chamados sinais DIFERENÇA DE COR. Os sinais diferença de cor são então modulados para formar o sinal de crominância C, reduzindo-se a exigência inicial de transmissão de três canais separados (R, G e B) para apenas dois canais, Y e C. Durante a transmissão as informações sobre matriz e saturação são geradas através de dois outros sinais que modulam a subportadora de cor. 7 Sinais Diferença de Cor Na formação dos sinais Diferença de Cor soma-se o sinal Y invertido de 180 (-Y) ao sinal das cores primárias R e B, como segue: (R-Y) = 1,00R (0,3R + 0,59G + 0,11B) = 0,7R 0,59G 0,11B (Volts) (B-Y) = 1,00B (0,3R + 0,59G + 0,11B) = -0,3R 0,59G 0,89B (Volts) 8 4

5 Sinais Diferença de Cor Não é necessário transmitir o sinal (G-Y), pois este pode ser reconstruído a partir dos sinais (R-Y) e (B-Y) resgatados no receptor. Seja (G-Y) = 1,00G - (0,3R + 0,59G + 0,11B) = -0,3R +0,41G 0,11B (Volts) que pode ser obtido com as seguintes misturas de (R-Y) e (B-Y): (G-Y) = -0,51 (R-Y) 0,19(B-Y) (Volts) O diagrama abaixo ilustra como o sinal (G-Y) é recuperado no receptor. Os níveis de R, G e B podem ser resgatados e acionar os dispositivos que geram a cor na proporção adequada. 9 Exemplos: 1) Para se obter a COR AMARELA, verificamos que Y = 0,3R + 0,59G = 0,89 Volts. Esta cor pode ser obtida a partir de (B-Y) = 0,0(B) 0,89(Y) = -0,89 V como Y= 0,89 então (R-Y) = 1,0(R) 0,89(Y) = +0,11 V 2) Para a COR BRANCA tem-se que Y = 0,3(R) + 0,59(G) + 0,11(B) = 1 Volt. Assim, (B-Y) = 1,0(B) - 1,0(Y) = 0 V e (R-Y) = 1,0(R) 1,0(Y) = 0 V. 10 5

6 Representação da Cor NTSC PAL R, G e B R, G e B (R-Y) e (B-Y) (R-Y) e (B-Y) I (in-phase) e Q (quadrature) U e V 1,5 e 0,5 MHz, respectivamente Amplitude Modulation- Double Side Band/Supressed Carrier 1,5 e 1,5 MHz, respectivamente 11 Sistemas de Cor Os conceitos vistos até aqui valem para os três sistemas a cores: NTSC, PAL e SECAM. As principais diferenças entre eles estão no método de modulação dos sinais diferença de cor. No sistema NTSC a modulação é simultânea em amplitude e fase com a portadora suprimida (AM-DSB/SC, Amplitude Modulation- Double Side Band/Supressed Carrier), denominada de modulação em quadratura. O sistema NTSC utiliza dois sinais em quadratura denominados de I (in-phase) e Q (quadrature) com largura de faixa de 1,5 MHz e 0,5 MHz, respectivamente. Os sinais I e Q formam o sinal de crominância C que, juntamente com Y, é transmitido ao receptor. 12 6

7 Sinais I e Q A partir de (R-Y) e (B-Y) pode-se obter os sinais I e Q, dados pelas expressões: I = -0,27(B-Y) + 0,74(R-Y) Q = 0,41(B-Y) + 0,48(R-Y) 13 Modulação de amplitude em Quadratura com portadora Suprimida. Apenas as bandas laterais são obtidas na saída dos moduladores. A frequência da portadora de Crominância é calculada como: f SC = (455/2) f H = 3,58 MHz 14 7

8 Rajada de Cor A demodulação exige absoluta sincronização, em freqüência e fase, entre as subportadoras do transmissor e receptor. Essa sincronização é garantida pela transmissão de um grupo de 8 a 11 ciclos do sinal da subportadora de cor. Esses ciclos estão localizados no pórtico posterior do sinal de apagamento horizontal. A ele deu-se o nome de SINAL DE SINCRONISMO DE COR ou sinal de BURST. A amplitude (pico-a-pico) desse sinal é de 40 IRE. O objetivo dessa rajada é permitir a sincronização do cristal do oscilador local no receptor. A rajada permite a reconstrução da portadora de cor no receptor e a obtenção dos sinais (B-Y) e (R-Y) demodulados. 15 Cada um dos sinais de diferença de cor I e Q modula em quadratura a subportadora de cor, cuja freqüência é 3,58 MHz. Os sinais são modulados na mesma frequência, mas separados em fase. 16 8

9 Representação da Crominância O sinal de crominância, Cm, é composto pela soma vetorial de I e Q. Poderá variar tanto em fase como em amplitude. A fase do vetor Cm irá indicar o MATIZ da cor, enquanto o módulo do vetor (amplitude) irá indicar a característica de SATURAÇÃO da cor. Variando-se a polaridade do sinais I e Q (mantendo-se a amplitude constante) obtém-se todos os ângulos entre 0º e 360º. A amplitude e o ângulo de fase do vetor C são obtidos das equações 2 C = I + Q α = arc tg [ I / Q ] 2 17 Representação da Crominância O vetor é representado em um diagrama conhecido como CÍRCULO DE CROMATICIDADE. Todos os matizes podem ser representados no círculo de cromaticidade 18 9

10 Geração dos sinais Y, I e Q no transmissor, a partir de R, G e B Sistema NTSC (encoder) 19 Recepção dos Sinais Sinal Composto Sep. Sync 3,58 MHz FPB Notch 3,58 MHz B-Y demod. Atraso Y M A T R I Z G B Gerad. Burst Sep. Burst R-Y demod R PLL 3,58 MHz Osc Desv. 90 Decoder NTSC 20 10

11 Sistema PAL O matiz é determinado pela relação de fase existente entre os vetores I e Q (no sistema NTSC). Qualquer variação aleatória nessa relação causa a reprodução de matizes incorretos no receptor. O sistema NTSC apresentou desde o início uma tendência para erros de fase. Assim, o sistema PAL (Phase Alternating Line) foi desenvolvido com o objetivo de evitar que erros de fase provocassem mudanças no tom da imagem e também reduzir erros de cromaticidade produzidos na modulação em quadratura. 21 Sistema PAL Representação da transmissão da crominância numa seqüência de 4 linhas nos sistemas NTSC e PAL. Observa-se que ocorre uma inversão de fase nas linhas pares do sistema PAL. É necessário haver reinversão da fase dessas linhas no receptor. Após a reinversão, é feita uma média entre duas linhas consecutivas a fim de se produzir o tom original da cor 22 11

12 Sistema PAL No sistema PAL os sinais utilizados são os parâmetros U e V (ao invés dos parâmetros I e Q), os quais são transmitidos com sua largura integral de faixa, ou seja, 1,5 MHz cada (isto representa outra vantagem do sistema PAL). Na recepção existe a separação completa dos sinais U e V evitando, assim, os erros de fase e a sobreposição dos espectros dos sinais I e Q que ocorrem no sistema NTSC. O sistema PAL também utiliza a modulação em quadratura para transmitir os sinais diferenças de cor. 23 Sistema PAL A relação dos sinais U e V com os sinais diferenças de cor (B-Y) e (R-Y) é dada por: U = 0,493 (B-Y) = -0,15R 0,29G + 0,44B V = 0,88 (R-Y) = 0,61R 0,52G 0,096B 24 12

13 Sistema PAL A componente modulada do sinal V tem fase invertida linha-a-linha. linha. Esta inversão provoca um espectro de freqüências com componentes que chegam a coincidir com as componentes do sinal de luminância Y. Assim, para garantir que o espectro de freqüências dos sinais U e V modulados ocupem os espaços vazios do espectro de luminância, a freqüência da subportadora de cor foi ligeiramente modificada. Essas freqüências são dadas a seguir: NTSC: fsc = 3, ± 10 Hz PAL: fsc = 3, ± 10 Hz O sinal de burst também é modulado em fase alternada (de ± 135º), que é a referência que o receptor necessita para a reinversão das linhas pares invertidas na transmissão. 25 Codificador PAL R G B M A T R I Z Y V U Atraso 1 MHz FPB 1 MHz FPB Mod U Mod V Somador Ger. Sync ± 90 Subport MHz 7,8 KHz PAL trigger Chave burst 180 ± 45 Ger Burst Sync composto 26 13

14 Exercícios 1) Calcule o nível de luminância, em volts, para um sinal vermelho dessaturado constituído por 70% de vermelho saturado e batido com 30% de branco. 2) Caracterize o sinal abaixo, denominando cada uma de suas partes principais e colocando o valor de suas amplitudes (em IREs). 27 Sinais de Teste Sinais de teste foram desenvolvidos para a avaliação da qualidade e performance de um sinal de TV. Servem para caracterizar a linearidade da resposta amplitude (ganho) x freqüência, fase x freqüência, resposta a transientes, ganho diferencial ganho de fase. Cada tipo de sinal de teste serve para se avaliar um ou mais parâmetros do sinal de TV

15 Sinais de Teste Os sinais de teste podem ser classificados em dois tipos: Sinal VITS (Vertical Interval Test Signal), que é transmitido normalmente nas linhas 17 e 18 do intervalo de apagamento vertical; Sinal VIRS (Vertical Interval Reference Signal), que é transmitido na linha 19 do mesmo intervalo. Este último não é propriamente um sinal de teste, mas serve para estabelecer níveis de referência a fim de que na recepção circuitos automáticos (quando existentes) possam realizar as correções de ganho de vídeo, nível de preto, de erros nos níveis dos sinais de sincronização, etc. Esses sinais têm por objetivo assegurar uma ótima qualidade de imagem e permitir teste e ajustes do sistema sem perturbar o sinal de vídeo que está sendo transmitido. 29 Sinais de Teste Dentre os sinais de VITS mais conhecidos e usados podem ser citados: Sinal de forma de ondas de barras coloridas (color bar test signal), Sinal de teste degrau modulado composto (modulated staircase composite test signal) Sinal multirajadas (multiburst test signal)

16 Forma de Onda de Barras Coloridas Esse sinal contém informações sobre: níveis de luminância, níveis de crominância, razão de amplitudes entre luminância para crominância, valores de matiz, valores das cores primárias tempo de transição entre luminância e crominância e entre os dois sinais diferença de cor. 31 Forma de Onda de Barras Coloridas Com esse sinal pode ser verificado: o processo de codificação de cores na geração; a qualidade do sinal após atravessar todo o sistema de processamento no receptor; a amplitude de crominância e a resposta em fase do sinal transmitido

17 Forma de Onda de Barras Coloridas 33 Forma de Onda de Teste de Multirajada É constituído por dois níveis de referência, preto e branco, E por seis salvas de ondas senoidais, cujas freqüências são 0,5 MHz, 1,5 MHz, 2,0 MHz, 3,2 MHz, 3,58 MHz e 4,0 MHz

18 Forma de Onda de Teste de Multirajada (Multiburst) Aplicado na verificação da resposta amplitude (ganho) / freqüência do sinal de vídeo transmitido. Qualquer variação na amplitude (altura das rajadas) ao longo do espectro de freqüência do sinal de teste representa uma distorção. Ele é um indicativo da planicidade do canal. Também é usado na análise de não linearidades seletivas em freqüência (causada por retificação do sinal) e na determinação da resposta relativa de fase/freqüência quando excitado por freqüências discretas do sinal multirajadas (o arredondamento que se observa no pórtico anterior e posterior das salvas é um indicativo da resposta de fase). 35 FORMA DE ONDA DE TESTE DEGRAUS MODULADOS É utilizado na medida da distorção não linear. É formado por um sinal senoidal de alta freqüência, ao qual se sobrepõe sinais com nível DC variável em baixa freqüência, formando uma forma de onda com seis degraus. A onda senoidal de alta possui a freqüência de 3,58 MHz, pois os efeitos não-lineares mais notáveis manifestam-se se no conteúdo cromático da imagem exibida

19 FORMA DE ONDA DE TESTE DEGRAUS MODULADOS Qualquer desvio do eixo dos degraus de luminância, devido a efeitos de ceifamento ou retificação da subportadora de cor, pode ser observado. Outra alteração que pode ser observada diz respeito à amplitude dos degraus, pois sua alteração indica perdas produzidas no sinal de alta freqüência. É empregado comumente para caracterizar a resposta do ganho diferencial, linearidade do sinal de luminância, ganho dinâmico, distorção do sinal de luminância causado por não linearidade do sinal de crominância e erros de fase na rajada de cor. 37 FORMA DE ONDA DE TESTE NTC-7 Contém um nível de referência de branco (100 IRE); um pulso 2T; o pulso modulado 12,5T; um sinal com cinco degraus modulados a partir da referência de preto

20 FORMA DE ONDA DE TESTE NTC-7 O nível de referência de branco tem como finalidade caracterizar o nível do sinal de vídeo transmitido e também medir distorção de curta duração (short time distortion) e distorção temporal de linha (line time distortion). O pulso de 2T é usado para caracterizar a razão pulso-barra (pulse-to-bar ratio) e o fato K. O pulso modulado de 12,5T é usado para medir a desigualdade do atraso crominância-luminância (chrominance-to to-luminance delay inequality). O sinal com cinco degraus modulados é empregado para medir ganho diferencial e fase diferencial. Um sinal semelhante a esse é o sinal de teste FCC composto (FCC composite test signal), que possui o mesmo conteúdo do NTC-7, mas no qual a posição do nível de referência de branco e os degraus modulados estão trocados. 39 O sinal é constituído por um nível de referência de croma (nível médio de luminância de 70 IRE modulado pela freqüência de 3,58 MHz), por um nível de luminância em 70 IRE e por um nível de referência de preto em 7.5 IRE. Na estação transmissora o sinal VIRS é usado para ajustar o matiz e a saturação do sinal de cor. No lado da recepção, esse sinal auxilia no ajuste da reprodução exata da cor. SINAL VIRS 40 20