Podstawy telewizji

1. Kineskopy.
Kineskop jest pewnym rodzajem lampy elektronowej, która przebiegi elektryczne sygnałów
telewizyjnych przekształca w świecący obraz czarno-biały lub kolorowy.
1.1 Kineskopy czarno-białe.
Obudowa kineskopu jest wykonana ze specjalnego szkła i tworzy balon o specyficznym
kształcie stożka, którego dno tworzy ekran przechodzący stopniowo w szyjkę z umieszczoną
wewnątrz wyrzutnią elektronów.
Włókno żarzenia rozgrzewa katodę do wysokiej temperatury, co powoduje emisję
swobodnych elektronów. Katoda jest umieszczona wewnątrz cylindra, w którego dnie
istnieje mały otwór. Otwór ten umieszczony jest w osi wszystkich elektrod tworzących
wyrzutnię. Cylinder zwany, cylindrem Wehnelta spełnia rolę siatki sterującej.
Kolejna elektroda, to siatka druga, albo tzw. pierwsza anoda. Wykonana również w postaci
metalowego cylindra znajdującego się na potencjale kilkuset woltów. Wytworzone pole
elektrostatyczne powoduje przyspieszenie i ruch elektronów, które wydostając się przez
otworek w cylindrze siatki sterującej tworzą wąski strumień, poruszający się z coraz to
większą prędkością.
Trzy następne elektrody noszące nazwę siatki trzeciej, czwartej i piątej tworzą soczewkę
skupiającą wytwarzającą specjalnie ukształtowane pola elektryczne. Zadaniem tej soczewki
jest zogniskowanie wiązki elektronów na powierzchni ekranu. Przy optymalnym skupieniu
elektrony „rysują” na ekranie plamkę o minimalnej średnicy. Elektrody te również wykonano
w postaci metalowych cylindrów. Siatki trzecia i piąta są zwarte ze sobą i połączone z
wewnętrzną powłoką bańki kineskopu, wykonaną z grafitu przewodzącego prąd elektryczny.
Wysokie napięcie rzędu kilkunastu tysięcy woltów dołączone do tych elektrod nadaje wiązce
bardzo dużą szybkość.
Ekran kineskopu pokryty jest od wewnątrz cienką warstwą luminoforu, który świeci pod
wpływem bombardowania elektronami. Elektrony uderzają w luminofor z siła zależną od ich
prędkości powodując jego świecenie w miejscu uderzenia. Im większa jest szybkość
elektronów, tym jaśniejsze jest świecenie luminoforu.
Na warstwę luminoforu napylono folię aluminiową, spełniającą następujące zadania:
- ochronę warstwy luminoforu przed skutkami uderzeń ciężkich jonów, powstających w
procesie emisji elektronów,
- powiększenie kontrastowości obrazu nie dopuszczając do oświetlenia ekranu światłem
rozproszonym wewnątrz stożka kineskopu,
- zwiększenie jaskrawości obrazu,
- ułatwienie odprowadzania elektronów z powierzchni ekranu po wykonanej przez nie
pracy do obwodu prądowego kineskopu.
Kąt odchylania wiązki elektronów jest uzależniony od kształtu balonu kineskopu i wynosi 90°
lub 110°.
1.2 Kineskopy kolorowe.
Kineskop kolorowy zawiera w sobie właściwie trzy kineskopy świecące w kolorach:
czerwonym, zielonym i niebieskim.
W szyjce kineskopu umieszczone są trzy wyrzutnie strumieni elektronów bombardujące
poprzez specjalny system przesłaniający zwany maską, ściśle przypisane sobie pastylki
luminoforów. Sposoby rozwiązań konstrukcyjnych dzielą kineskopy na dwa typy o
odmiennym umieszczeniu luminoforów o różnym sposobie działania przesłon (masek)
ustawionych przed luminoforami na drodze wiązek elektronowych.
1.2.1 Kineskopy maskowe z wyrzutniami typu delta.
Są to kineskopy o charakterystycznym układzie wyrzutni nachylonych pod niewielkim kątem
w stosunku do podłużnej osi kineskopu, z maską o okrągłych otworach i pastylkowym
rozmieszczeniu trójbarwnych luminoforów tworzących rzędy trójkątów równobocznych.
Wyrzutnie elektronów mają osobne wyprowadzenia dla każdej katody, siatki sterującej i
siatki drugiej. Pozwala to na sterowanie kineskopu w obwodach katod lub w obwodach
siatek sterujących. Uniwersalność ta daje możliwość sterowania kineskopu zarówno
zestawem sygnałów różnicowych R-Y G-Y B-Y z sygnałem luminancji lub też bezpośrednimi
sygnałami RGB.
W celu umożliwienia korekcji błędów prowadzenia strumieni elektronowych w procesie
odchylania, kineskop wyposażono w towarzyszące cewkom odchylającym: zespół czystości
koloru i zespoły zbieżności.
Zadaniem zespołu czystości jest jednoczesne przemieszczanie trzech strumieni elektronów
w obrębie elementarnego trójkąta luminoforów tak, aby środek plamki świetlnej wytwarzanej
przez wiązkę każdego strumienia możliwie dokładnie pokrywał się ze środkiem pastylki
luminoforu. Każde inne położenie wiązki powoduje pobudzenie do świecenia dwóch
sąsiednich pastylek, tworząc błąd zakłócający czystość koloru.
Zespół czystości koryguje błędy padania wiązek jedynie w obszarze przylegającym do
geometrycznego środka ekranu. Błędy pojawiające się w obszarach leżących w pobliżu
brzegów ekranu spowodowane są przez różnicę w kącie padania strumieni na powierzchnię
ekranu w funkcji odległości od jego środka. Im dalej położony jest ten punkt, tym ostrzejszy
jest kąt padania, a więc odpowiednio mniejsza precyzja trafienia wiązek w środki
luminoforów i większy błąd czystości kolorów. Ponieważ w kineskopie niezmienną stałą jest
odległość maski od powierzchni ekranu, więc jedynym sposobem dokonania korekcji może
być zmiana położenia płaszczyzny odchylania w stosunku do odległości od maski i ekranu.
Płaszczyznę odchylania (poprzeczną do podłużnej osi kineskopu) wyznaczaj punkty
załamania torów strumieni elektronowych w obszarze ich załamania.
W procesie odchylania bardzo ważnym elementem jest możliwość przemieszczania trzech
wiązek elektronów po powierzchni maski tak, aby uzyskać ich przecięcie się w wybranym
otworze i skierowanie na przyporządkowane im kolorystycznie trójki pastylek luminoforów.
Stosowane są zespoły korekcji błędów zbieżności statycznej (dla obszarów wokół środka
ekranu) i zespoły korekcji błędów zbieżności dynamicznej dla pozostałej powierzchni ekranu
o działaniu wzdłuż jego osi pionowej i poziomej. Podobnie jak przy uzyskiwaniu warunku
czystości koloru, problem utrzymania właściwej zbieżności wzrasta w miarę oddalania się od
geometrycznego środka ekranu.
Regulacje błędów zbieżności zmierzają do takiego kierowania torami strumieni elektronów
za pomocą magnetycznych pól korekcyjnych, aby uzyskać dokładne nałożenie na siebie
trzech siatek obrazowych wykreślanych przez te strumienie.
Istnienie błędów zbieżności widoczne jest w postaci barwnych konturów w reprodukowanym
obrazie.
1.2.2 Kineskop maskowy typu trinitron.
W kineskopie typu trinitron istnieje jedna wspólna wyrzutnia, w której emisja wiązek
elektronowych odbywa się z trzech niezależnych katod. Katody leżące w jednej płaszczyźnie
są umieszczone wzdłuż poziomej linii (systemu IL – in line), co upraszcza
wszelkie regulacje zbieżności.
W odróżnieniu od kineskopu delta w trinitronie, skupianie trzech strumieni elektronowych
odbywa się jednocześnie wewnątrz tej samej elektrody ogniskującej. Ponowne skupienie
rozbiegających się wiązek R i B wymusza przecięcie się torów strumieni we wspólnej
szczelinie maski. Tuż za „rusztem” szczelinowej maski znajdują cię luminofory naniesione w
postaci trójek cienkich pionowych pasków: czerwonego, zielonego i niebieskiego.
Ze względu na oryginalne rozwiązanie konstrukcyjne wyrzutni ograniczono liczbę
wyprowadzeń z poszczególnych elektrod. Oddzielne wyprowadzenia mają tylko trzy katody.
Dzięki zastosowaniu jednej wyrzutni zmniejszona została średnica szyjki kineskopu, co
pozwoliło na znaczne ograniczenie mocy dostarczanych do cewek odchylania poziomego i
pionowego. Kształt perforacji maski i duża średnica skupiającej soczewki magnetycznej
pozwoliły uzyskać znaczną jaskrawość i bardzo dobrą rozdzielczość obrazu.
Wszelkie funkcje układów korekcyjnych są podobne do zastosowanych w kineskopach z
wyrzutniami typu delta.
Błędy czystości koloru powstają w wyniku nieznacznego odchylenia osi wyrzutni od
podłużnej osi symetrii kineskopu, co powoduje, że wiązki elektronów padają pod złym kątem
na ekran, pobudzając do świecenia niewłaściwe paski luminoforów. Zmiany kąta padania
mogą powstać także pod wpływem szkodliwego oddziaływania przez zewnętrzne pola
magnetyczne. W celu ochrony torów strumieni elektronowych na stożek kineskopu jest
nasunięty ekran magnetyczny.
Korekcja błędów czystości kolorów jest przeprowadzana przez zespół czystości koloru,
którego konstrukcja niczym nie różni się od stosowanego zespołu w kineskopach typu delta.
Metoda kompensacji błędów czystości kolorów jest również podobna. Magnesami
pierścieniowymi ustawiana jest czystość dla środkowej części ekranu, a w części
peryferyjnej poprzez przesuwanie zespołu cewek odchylających.
Błędy zbieżności powstają w wyniku nieprzechodzenia strumieni elektronowych przez
wspólną szczelinę maski. Drobne odchylenia torów wiązek spowodowane niedoskonałością
montażu działa powodują, że punkty padania na maskę i luminofory mają charakter
przypadkowy i powodują powstawanie błędu zbieżności statycznej dla środkowego obszary
ekranu. Natomiast brak jednorodności w warunkach jednoczesnego odchylania trzech
strumieni elektronowych tworzą błędy zbieżności dynamicznej, które powiększają się wraz z
odległością punktów padania od geometrycznego środka ekranu.
2. Podstawowe pojęcia związane z analizą obrazu.
Kolorowy obraz można rozłożyć na określoną liczbę elementarnych powierzchni. Każda z
tych powierzchni będzie miała ściśle określone cechy takie jak: luminancja, barwa i
nasycenie. Te trzy wymienione cechy określają kolor każdej elementarnej części obrazu. Dla
porównania, w przypadku gdy mamy do czynienia z obrazem czarno-białym, wystarczy tylko
posiadać informację o luminancji punktów obrazu.
Luminancja jest wielkością charakteryzującą "siłę światła" każdego punktu obrazu, jest to
cecha ilościowa koloru i wyraża się stosunkiem światłości(natężenia światła) do powierzchni,
przez którą przenika lub, która odbija to światło.
Barwa fioletowa, zielona czy czerwona określa wrażenie wzrokowe wywołane
promieniowaniem świetlnym o określonej długości fal elektromagnetycznych. Każdej barwie
odpowiada inna długość fal, natomiast światło białe jest mieszaniną świateł o różnych
długościach fal w odpowiednich proporcjach. Barwę światła można określić za pomocą
znormalizowanego wykresu chromatyczności.
Nasycenie jest cechą koloru, którą wyraża się udziałem światła określonej barwy w świetle
białym. Nasycenie 0% oznacza udział danego koloru w czystym nie zabarwionym świetle
białym. Nasycenie 100% oznacza wyłączny udział światła danej barwy.
Jest jeszcze jedno ważne pojęcie, które nie zostało ujęte wyżej, mianowicie chrominancja.
Obejmuje ona obydwie cechy jakościowe koloru tj. barwę i nasycenie.
3. Podstawy fizyczne telewizji kolorowej.
W momencie gdy opracowywano system telewizji kolorowej istniała już telewizja czarnobiała, podstawowym zadaniem dla konstruktorów systemu było więc spełnienie zasady
odpowiedniości. Mówi ona o tym, że sygnał telewizji kolorowej powinien "zawierać" w sobie
sygnał telewizji czarno-białej, tak by bez żadnych zmian w odbiornikach starego typu dalej
można było je używać. W systemie telewizji czarno-białej całkowity sygnał wizyjny składa się
z : sygnałów luminancji, wygaszania i synchronizacji. W przypadku telewizji kolorowej
potrzebny jest jeszcze sygnał chrominancji, czyli informacja o kolorach poszczególnych
składowych obrazu.
Z fizyki wiadomo, że do uzyskania pełnej palety kolorów wraz z ich odcieniami, wystarczy
"zmieszać" w odpowiednich proporcjach kolory : czerwony (R-red), zielony (G-green) i
niebieski (B-blue). Dla przykładu, gdy zmieszamy te kolory w stosunku 33%R, 33%G, 33%B
to otrzymamy kolor biały, gdy zmieszamy 0%R, 0%G, 0%B to otrzymamy kolor czarny.
Na rysunku 1-3 przedstawione jest wrażenie koloru przy oglądaniu z dużej odległości trzech
świecących plamek. W oparciu o to zjawisko realizowane są po dzień dzisiejszy kineskopy
telewizorów kolorowych.
W systemie telewizji kolorowej sygnał luminancji jest sumą sygnałów R, G i B. Struktura
widma tego sygnału nie jest ciągła, lecz ma charakter prążkowy, a energia w nim zawarta
szybko maleje ze wzrostem częstotliwości. Dzięki takiej strukturze sygnału luminancji można
było spełnić zasadę odpowiedniości, umieszczając, w pobliżu górnego krańca pasma
częstotliwości tego sygnału, częstotliwość podnośną modulowaną sygnałami chrominancji.
Przy odpowiednim bowiem wyborze częstotliwości podnośnej prążki widma sygnału
chrominancji znajdują się między prążkami widma sygnału luminancji, a więc sygnały nie
zakłócają się wzajemnie.
Ze względu na czułość oka na kolory oraz nieliniowości charakterystyk luminoforów
kineskopów sygnał luminancji dany jest wzorem:
EY' = 0.30 ER' + 0.59 EG' + 0.11EB'
Sygnał ten sterując wyrzutniami kineskopu powoduje kreślenie obrazu czarno-białego o
ostrych konturach, który wymaga już tylko "podkolorowania". W tym celu potrzebne są
sygnały różnicowe koloru, które dane są wzorami:
DR' = ER' − EY'
DG' = EG' − EY'
DB' = EB' − EY'
Całkowitą informację o obrazie kolorowym można przekazać do odbiornika za pomocą
trzech sygnałów wizyjnych: luminancji, różnicowego sygnału czerwonego oraz różnicowego
sygnału niebieskiego. Sygnał luminancji zajmuje pasmo 6 MHz natomiast sygnały różnicowe
wymagają pasma 1.5 MHz każdy.
4. Systemy telewizji kolorowej.
Należy teraz wspomnieć, iż obecnie istnieją trzy systemy telewizji kolorowej różniące się
między sobą: rozdzielczością ekranu, szybkością odświeżania obrazu oraz sposobem
kodowania a co za tym idzie i dekodowania koloru. Są to: amerykański NTSC, niemiecki
PAL oraz francuski SECAM.
4.1 Krótka charakterystyka systemu NTSC.
Jest to najstarszy system telewizji kolorowej, w którym podnośna chrominancji modulowana
jest kwadraturowo sygnałami różnicowymi kolorów, pomiędzy którymi różnica faz wynosi 90
stopni. Zastosowano tu modulację amplitudy. Dodatkowo, w wyniku obrócenia sygnałów
różnicowych o kąt 33 stopnie, jednemu z tych sygnałów odpowiadają barwy występujące na
kierunku lepszego rozróżniania szczegółów barwnych przez człowieka a drugiemu
odpowiadają barwy leżące na kierunku gorszego rozróżniania barw. Stąd jeden z sygnałów
może mieć węższe pasmo niż drugi. W koderze wytwarza się jeszcze impulsy
synchronizujące, zawierające kilka okresów sinusoidy o częstotliwości podnośnej o stałej
fazie przesuniętej o 33 stopnie względem sygnału podnośnej modulatora. Impulsy te
dodawane są do sygnałów chrominancji i luminancji. Zmodulowany sygnał chrominancji
dodawany jest do sygnału luminancji i otrzymywany jest w ten sposób całkowity sygnał
wizyjny. Po stronie odbiorczej całkowity sygnał podawany jest na filtry luminancji i
chrominancji. W torze chrominancji następuje proces demodulacji synchronicznej, w którym
bardzo ważne jest, by błąd fazy nie był większy niż 4%. Jest to warunek trudny do spełnienia
(czasami niemożliwy; modulacja AM jest bardzo podatna na zakłócenia)-zasadnicza wada
systemu NTSC.
4.2 Krótka charakterystyka systemu PAL.
Aby wyeliminować błędy fazowe jakie miały miejsce w systemie NTSC, twórcy systemu PAL
zastosowali zmodyfikowany algorytm modulacji podnośnej chrominancji. Podnośna
modulowana jest sygnałami różnicowymi, które w PAL'u nazwano: U i V (dwufazowo,
podobnie jak w NTSC) Zmiana polega na tym, że faza sygnału V zmienia się co linię, raz o
+90 stopni wzgl. U, raz o -90 stopni wzgl. U. Równocześnie występują więc dwa składowe
sygnały zmodulowanej podnośnej chrominancji: składowa FU i +FV dla jednej linii (linia a)
oraz FU i -FV dla linii następnej (linia b). Wektorowe złożenie sygnałów dla linii a i dla linii b
przedstawia rysunek 17-2.
Aby wiernie odtworzyć kolory obrazów, do odbiornika musi zostać przekazana informacja,
jaki sygnał podnośnej chrominancji Fa = FU + FV czy Fb = FU - FV jest w danej chwili
przesyłany. Informacja ta jest przekazywana za pośrednictwem kąta fazowego impulsu
synchronizacji kolorów. W systemie NTSC kąt fazowy impulsu synchronizacji kolorów
wynosi 180 stopni, tj. odpowiada kierunkowi osi E'Y - E'B . W systemie PAL impulsy
synchronizacji kolorów dwóch kolejnych linii są przesunięte wzgl. położenia impulsów
synchronizacji kolorów w systemie NTSC o kąt + - 45 stopni. W odbiorniku PAL, sygnał
potrzebny do regulacji lokalnego generatora podnośnej chrominancji (napięcie służące do
sterowania przełącznika PAL), otrzymuje się na wyjściu dyskryminatora fazowego.
Aby uzyskać sygnał impulsów synchronizacji kolorów w systemie PAL musi następować
równocześnie z przełączeniem podnośnej chrominancji przełączenie fazy impulsów
synchronizacji kolorów z częstotliwością równą połowie częstotliwości linii. Faza impulsu +135
stopni jest przekazywana z treścią linii, w której podnośna modulatora V ma fazę +90 stopni.
Faza impulsu synchronizacji kolorów +225 stopni jest przekazywana z treścią linii, w której
podnośna modulatora V ma fazę -90 stopni.
Sygnał chrominancji przechodzi przez trzy równoległe tory: zmieniający fazę o 180 stopni, linię
opóźniającą o 64 mikrosekundy i tor nie zmieniający sygnału. Za sumatorami otrzymuje się
sygnały 2U w dolnej gałęzi oraz 2V i -2V w górnej gałęzi. Aby na wyjściu demodulatora V
otrzymać sygnał 2V należy więc w każdym z okresów odchylania poziomego zmieniać fazę
podnośnej sygnału dostarczanego do demodulatora o 180 stopni. Podobnie jak w systemie
NTSC różnica faz pomiędzy demodulatorami wynosi 90 stopni.
4.3 Krótka charakterystyka systemu SECAM.
Sposób przesyłania sygnału chrominancji w systemie SECAM różni się dość znacznie od
sposobu w PAL'u czy NTSC. W systemie SECAM sygnały chrominancji przesyła się kolejno
na zmianę. Przez czas trwania jednego okresu odchylania poziomego przesyłany jest sygnał
DB natomiast przez następny okres przesyłany jest sygnał DR . Drugą istotną różnicą jest
zastosowanie modulacji częstotliwości podnośnej sygnału chrominancji, zamiast modulacji
amplitudowo-fazowej jak w systemach NTSC i PAL.
W związku z zastosowaniem modulacji częstotliwości przy kodowaniu sygnału chrominancji,
należy wspomnieć, że aby uzyskać należyty stosunek sygnał szum potrzebne jest
zastosowanie układów preemfazy w nadajniku oraz deemfazy w odbiorniku. Preemfaza jest
to uwypuklenie wyższych częstotliwości widma sygnału, a deemfaza jest to stłumienie
amplitud wyższych częstotliwości widma sygnału. W systemie SECAM preemfazę i
deemfazę stosuje się dwukrotnie: dla sygnałów m.cz i w.cz.
5. Poziom odniesienia sygnałów wizyjnych.
Podstawowe sygnały wizyjne mogą zawierać składową stałą lub zmienną. Składowa stała
sygnału luminancji jest wartością średnią tego sygnału za okres trwania jednego obrazu.
Określa ona średnią luminancję obrazu - tło. Zmiany średniej luminancji obrazu są
zazwyczaj powolne, więc utrzymuje się ona na stałym poziomie przez dłuższy czas. Aby
sygnał luminancji właściwie sterował kineskopem odbiornika to musi mieć on właściwą fazę,
tzn. taki kierunek zmian napięcia, aby napięcie odpowiadające ciemnym elementom obrazu i
impulsy wygaszania, wygaszały plamkę. Poza tym napięcia odpowiadające różnym
jaskrawością linii muszą mieć wspólny poziom odniesienia. Tylko dla takiego ---sygnału
luminancji E'Y można dobrać napięcie stałe US0 o takiej wartości , aby napięcie pomiędzy
siatką pierwszą a katodą było równe zeru dla największej wartości sygnału wizyjnego (biel),
oraz napięciu odcięcia kineskopu -100V dla poziomu czerni.
Gdy w torze wzmocnienia sygnałów wizyjnych stosuje się sprzężenia pojemnościowe to
wtedy konieczny jest układ przywracający składową stałą tych sygnałów.
W tym układzie ustalenie poziomu napięć sterujących siatki pierwsze kineskopu następuje
za pomocą układu kluczowanego. Impulsy poziomych powrotów ładują kondensatory C1 ,
C2 , C3 poprzez diody D1 , D2 , D3 do napięć stałych równych składowej stałej sygnałów
wizyjnych. Napięcie to utrzymuje się przez czas trwania jednej linii przy założeniu
dostatecznie dużej stałej czasowej układu.