Мини-лекции. Цветное телевидение. Модуляция

   Если Вы откроете умную книгу, то узнаете, что МОДУЛЯЦИЯ это: переход из одной музыкальной тональности в другую, а также изменение тембра голоса, придающие речи выразительность. Ну, чтобы всем страшно было!.. А для нас с Вами МОДУЛЯЦИЯ это: процесс изменения высокочастотных гармонических колебаний под воздействием управляющего сигнала. После чего они (колебания) меняют фамилию и уже обзываются РАДИОСИГНАЛАМИ. А управляющие сигналы это те, что мы и хотим переслать далеко-далеко... В детских книгах те, что колебания называют лошадками которые несут нам: речь, музыку, кино и всякие передачи из телестудии. Отсюда и колебания называют несущими. Так, что в будущем несущее колебание или частота и есть то, что несёт, что-то, куда-то?!

   А, что для нас так важно знать о какой-то там модуляции? Как сказать?.. Люди разные бывают... Одни перед поездкой куда-нибудь, наперёд знают все подробности, а другие? Где был? В Шарм-эш- Шейхе. А где это? Хрен его знает? Думаю на юге, там жарко было?.. Так, что как-то так?!

   В телевидение вообще и цветном в частности применяют модуляцию: амплитудную, балансную, квадратурную и частотную. Во как?! А Вы говорите? В чёрно-белом применяют только амплитудную и частотную. Амплитудную для передачи яркостного сигнала и вспомогательных, частотную — звука. В цветном, — балансную, квадратурную и частотную. Частотную для передачи не только звука, но и цвета. Так, что я не просто так затеял всё это!

АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ.

   Наверное самая «древняя», применяемая человеком. Сначала для передачи звука, а потом и всего остального. Итак мы имеем одно гармоническое колебание или несущую частоту. Будь то вещательная радиостанция которую Вы «ловите» или телевизионный канал, в смысле радиочастотный, а не название коллектива. Типа: «Первый», «Пятый», «НТВ», «СТС» и пр. Теперь с помощью устройства, модулятора мы своим управляющим сигналом управляем одним из параметров несущей частоты, — амплитудой. Если посмотреть на осциллографе несущую, так это обычная синусоида знакомая Вам с детства (школьного конечно). Если мы будем управлять амплитудой с помощью такой же синусоиды но с частотой гораздо ниже чем несущая (так положено), картинка на осциллографе изменится и станет вот такой рис1a. То, что там понаписано пока не воспринимайте... Получилась вот такая волнообразная фигура. В конце диаграммы (справа) ровная полоса. Это значит, что управляющее выключилось. Осталась одна несущая.

   Посмотрим как это будет выглядеть в спектральном отображении. Рис2a. Uн это и есть та самая несущая частота. Две симметричные палочки с обозначением mUн/2 называются боковыми частотами, справа верхняя, слева нижняя. Если модулируется спектром частот, а не одной как в нашем случае, то образуются уже две боковые полосы частот! Если спектр управляющего сигнала, допустим равен 20 кГц, то полоса занимаемая модулированным сигналом в два раза шире и будет равна 40 кГц. В радиовещании же ограничивают спектр управляющего сигнала (звука) до 5кГц (к примеру, в телефоне до 3 кГц), то общая полоса будет равна 10 кГц. Запомните это железное свойство амплитудной модуляции! Посмотрим теперь на всё это с векторной точки зрения рис3а. Вектор Uн вращается против часовой стрелки, естественно с угловой частотой несущей. Вспомните как в школе строили графики синусоиды с помощью вектора. Если заморозить процесс как на рисунке, то боковые частот ВБ-верхняя, а НБ-нижняя. Они вращаются в разные стороны с частотой управляющего сигнала. По правилу сложения векторов мы имеем рис3b, момент когда их векторы направлены вдоль вектора несущей. В этом случае общий вектор Uоб будет равен сумме всех трёх векторов на рис1 самая высокая часть горбов. Наоборот, когда векторы направлены в противоположную сторону от направления Uн сумма двух боковых будет вычитаться, что и видно на рис3с. Uоб принимает минимальное значение, на графике временной диаграммы рис1 это будет впадина. От чего зависят эти ямы и канавы? От коэффициента модуляции [m]. Как видно m меньше единицы. При m =1 мы имеем 100% модуляцию. На практике же он всегда меньше. Чтобы избежать искажений при перемодуляции (m >1).

   Как Вы, глядя на спектры, могли догадаться, что вся информация полезная заключается только в боковых частотах (полосах), причём в каждой одна и та же!!! С энергетической стороны так это полный беспредел... А для нас непозволительно большой уровня цветового сигнала. И что делать?

КВАДРАТУРНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

   Применить балансную модуляцию. Есть такие устройства которые так и называются балансными модуляторами. Но до того как мы до них доберёмся и узнаем зачем оно всё, мы посмотрим на рис8, левая часть. Здесь: Гн-генератор несущей частоты, МД-два модулятора (по числу управляющих сигналов), квадратик со знаком суммы, — сумматор, пурпурный прямоугольник с 90° — фазовращатель. На оба модулятора подаются два сигнала Eb-y и Er-y. На вторые входы подаётся частота несущей, на канал B-Y напрямую, а на R-Y через фазовращатель со сдвигом в 90°. Получаются два АМ сигнала, но?

   На рис3 показаны векторные диаграммы с «замороженными» несущими. Из-за вращающихся векторов ВБ и НБ, суммарный вектор будет изменять свою длину, но? Но он всё время будет находиться в вертикальном положении. А применительно к декартовой системе координат на положительной части оси ординат. Для нас это будет сигнал R-Y. Отстающий от него на 90° вектор B-Y. Он будет также изменять свою длину, но находиться на положительной части оси абсцисс, что Вы и видите на графике рис8. Но такая картинка появится лишь тогда, когда оба сигнала просуммируются в сумматоре. В результате на выходе мы получим Us. На приёмной стороне его можно будет разложить в обратную до первоначального состояния, Еr-y и Eb-y. Жёлтая и зелёная формулы показывают соотношения образование вектора Us (сигнала Us). Вот только для нашего случая вся эта мура не подходит! Да, скажем звуковой стереосигнал сделать можно подменив все эти R-Y, B-Y на правый-левый каналы...

   Для понимания вопроса обратимся к рис7. Что это ещё за каракатица? Это изображение множества цветов в декартовой (хотя это не совсем правильно то, что она декартовая?!) системе координат. Чем характеризуется цвет? Правильно, светлостью и цветом (частотой, длиной волны). Для нашей диаграммы светлость, — длина вектора. Цвет, — угол поворота вектора относительно оси B-Y. Так в чём проблем-м-м-м? Как это в чём? Векторы могут находиться как в положительных, так и отрицательных квадрантах (четвертях) системы. А то, что на рис8, только положительные направления векторов. И чего ж нам делать? Правильно, применить балансную модуляцию!

БАЛАНСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

   Подменив на рис8 МД на БМД, на балансные модуляторы мы получим балансную модуляцию. И, что произойдёт? Верхняя часть картинки рис1 изменится на нижнюю. И на рис2a,b аналогично. Несущая Uн будет подавлена (начнётся депрессия :-)), останутся только ВН и НБ. На рис3a,b,c тоже произойдут изменения и также исчезнут векторы Uн. Только векторы боковых частот будут вертеться в разные стороны. Вертеться образуя суммарный вектор Us рис3d. Причём теперь вектор может быть как положительным так и отрицательным (раньше его сдерживал Uн). На рис4 иллюстрация получения цветного красного сигнала в балансном модуляторе Ur с помощью управляющего сигнала Er-y, а на рис5 аналогично Ub. Так-как несущая частота на модулятор R-Y подаётся со сдвигом 90°, то и векторы Ur и Ub также будут сдвинуты под 90°. А после сумматора их расположение и результирующий вектор U будет в системе координат так, как на рис6. Обратите внимание на отметки t1 на оси R-Y и B-Y. Er-y положительно, а Eb-y отрицательно и стало быть результирующий сигнал U находится во II квадранте (четверти). Так, что при меняющихся вариациях R-Y и B-Y, U может находиться в любом квадранте! Так ещё, характеризовать весь спектр цветов, что с амплитудной квадратурой рис8 этот фокус бы не прошёл! На рис7 показана роза вектор-цветов в системе R-Y; B-Y.

ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

   Частотную модуляцию легко понять, но трудно осознать! Объяснение на рис9. Рис9а, — несущая частота. Рис9b, — управляющее напряжение (сигнал). Рис9с, — результат модуляции. При положительной полуволне частота несущей увеличивается, а при отрицательной, наоборот уменьшается. Ещё ниже показаны спектры ЧМ-модуляции только одной частотой, но при разных значениях mf. Это так называемый индекс модуляции и зависит от отношения девиации к частоте [Омега] управляющего напряжения. Девиация это максимальное отклонение несущей частоты от точки покоя. Как видите даже при одной модулирующей частоте при разных значениях девиации появляются гармоники и спектр расширяется. Вспомните о железной полосе в АМ-модуляции. Как пример: модулирующая частота равна 1 кГц., а девиация 75 кГц. Тогда полоса частот спектра будет равна 150 кГц!!! В АМ-модуляции только 2 кГц!!! Такое значение девиации принято в УКВ-ЧМ радиовещании (FM)! C ЧМ-модуляций в цветном телевидении, связано звуковое сопровождение, и передача R-Y; B-Y в системе SEKAM-III.

   О применении всех видов модуляции мы поговорим в мини-лекциях посвящённых именно каждой системе: NTSC; PAL и SEKAM-III. На рис10 показаны спектры полного телевизионного сигнала. Тот самый который приходит к нам. Внизу NTSC, а вверху фрагмент отличия PAL от NTSC! Они же близкие родственники...

   В дальнейшем Вы встретитесь с цветоразностными сигналами. В разных системах они называются по-разному. Хотя все они есть не что иное как те же R-Y и B-Y, разность между красным и яркостным, синим и яркостным. Так для NTSC сигналы I и Q. PAL, — U и V. SEKAM, — Dr и Db. Всё дело лишь в коэффициентах связывающих их с R-Y и B-Y!