SISTEMA TV A COLORI

Nozioni di radio elettronica

Il principio della televisione a colore si basa sulla generazione di un'oscillazione a 4,43 MHz, sottoportante colore, inserita nel video composito b/n visto nell'articolo precedente.
La descrizione del funzionamento del sistema implica l'utilizzo del vettore e delle varie fasi risultanti, che rappresentano rispettivamente la sottoportante ed i vari colori; - per la maggior comprensione si è ritenuto opportuno rammentare alcune nozioni di radio elettronica. 

oscillazione elettrica sinusoidale, si ha quando il valore elettrico varia con continuità da zero ad un massimo a 90 gradi ridiscende a zero a 180 gradi diminuisce al minimo a 270 gradi per poi aumentare sino a zero a 360 gradi compiendo un ciclo completo con andamento sinusoidale; le caratteristiche principali di questa forma d'onda sono la frequenza f ossia il numero di cicli completi al secondo misurata in Hz, l'ampiezza misurata in volt, ed il periodo T misurato in secondi, vedi figura

Oscillazione sinusoidale
Ampiezza V
T durata in secondi di un ciclo completo
f frequenza numero dei cicli completi in un secondo o Hz

 Esempi di oscillazioni sono il clock dei Pc, i segnali dei trasmettitori e come si vedrà in seguito la sotto portante colore.

oscillatore elettrico, apparato circuitale in grado di produrre oscillazioni sinusoidali con frequenza diversa

la fase,due oscillazioni possono avere la stessa frequenza ma non la stessa fase, come si vede in figura, dove la sinusoide B è sfasata in ritardo di 90° rispetto alla sinusoide A.
In altre parole significa che l'oscillazione B inizia il suo ciclo dopo l'oscillazione A, precisamente quando quest'ultima raggiunge il massimo della sua ampiezza, ossia dopo 90°, la stessa cosa succede in una gara quando il secondo arrivato ha un ritardo temporale rispetto al vincitore.
Un metodo diverso dal precedente per visualizzare l'analoga situazione è l'uso del vettore, vedi figura, dove la sua lunghezza è l'ampiezza variabile a, la fase alfa il ritardo fra le due oscillazioni e la freccia il senso sinistrorso del moto.

vettore,

analisi spettrale, visualizza come l'energia del segnale elettrico si dispone a seconda delle frequenze in gioco; per esempio se visualizziamo lo spettro del suono di un tamburo (convertito per mezzo di un microfono in variazione di tensione) avremmo delle componenti energetiche nelle frequenze basse, viceversa per il clarino frequenze alte

A sinistra un esempio di spettro in un segnale video, nelle ascisse (orizzontale) il valore delle frequenze, nelle ordinate (verticale) l'ampiezza

A destra un esempio dello spettro del violoncello con una frequenza fondamentale di 220 Hz e le sue armoniche

modulazione, nelle radiocomunicazioni, sia a livello broadcasting o radioamatoriale, per inviare a distanza un'informazione di qualsiasi genere come la parola, la musica, l'immagine, ecc., il segnale modulante, è utilizzato il processo di modulazione.
Esso consiste nel variare l'ampiezza A o la frequenza f di una oscillazione ad alta frequenza, o portante.
L'impiego del sistema sopra esposto dipende nell'impossibilità di irradiare nello spazio il segnale modulante, il quale richiederebbe delle antenne molto lunghe perché la lunghezza d'onda dell'oscillazione è inversamente proporzionale alla frequenza f.
Rammentiamo che la lunghezza d'onda di una oscillazione è data da:
c (velocità della luce) / f (la frequenza dell'oscillazione);
per esempio una frequenza di trasmissione pari a f = 100 MHz (banda della modulazione di frequenza) la sua lunghezza d'onda è = 300.000.000 metri al secondo / 100.000.000 cicli al secondo, ossia 3 metri.
Questo è il motivo perché le dimensioni delle antenne sono proporzionali alla lunghezza d'onda delle frequenze interessate.
Nella figura, sono rappresentate le figure raffiguranti l'intero processo della modulazione d'ampiezza:
l'onda sinusoidale ad alta frequenza, la portante fp, con frequenze attorno a 1000KHz per le onde medie, 100MHz per la modulazione di frequenza e 500MHz per la televisione
l'onda modulante a bassa frequenza, la modulante fm, e con frequenze da 20-20KHz per le frequenze audio e 50-5MHz per le frequenze video
la portante modulata in ampiezza dalla modulante
il prodotto finale della modulazione, oltre alla portante sono visibili le due bande laterali con frequenze pari a fp -fm e fp+fm
Le due bande laterali non sono facilmente intuibili, se non risolvendo la relativa equazione matematica o visualizzando il fenomeno con l'analizzatore di spettro.
la rappresentazione vettoriale del fenomeno, Vp la portante e Vbl le bande laterali e Vr la risultante della somma istantanea della portante e della modulante.
soppressione della portante, in campo radiantistico con il sistema SSB si sopprime anche una banda laterale allo scopo di aumentare l'efficienza di trasmissione

Trasmissione del segnale video composito

Nella figura, è visibile l'inviluppo della modulazione di ampiezza di un segnale televisivo; come si nota è del tipo negativo, infatti, gli impulsi di sincronismo, che nel video composito sono negativi, quando sono modulati sono situati tra il 70% ed il 100% della modulazione, mentre il segnale del video è tra il 70% e quasi allo zero % il livello del bianco
Quest'artificio è per proteggere i sincronismi da eventuali variazioni dell'ampiezza del segnale ed assicurare stabilità all'immagine riprodotta.
La portante video ha la frequenza del canale televisivo da trasmettere, mentre la portante audio è una oscillazione posta a 5,5 MHz da quella video ed è modulato in frequenza; questo è il motivo per cui il livello del bianco non deve azzerarsi, previo la mancanza del battimento audio-video, e come conseguenza l'annullamento momentaneo del suono.

Processo di modulazione d'ampiezza audio e video
Spettro del canale televisivo
Portante video-Portante audio e sottoportante colore F sp

 Il sistema televisivo a colori

Introduzione

Precedentemente si è visto come è generato il video composito bianco e nero e in che cosa consiste lo standard televisivo, proseguiamo il discorso analizzando il funzionamento del sistema a colori.
Ricordiamo che lo standard televisivo specifica il numero delle righe orizzontali e dei semiquadri esplorati, la durata nel tempo dei sincronismi e della cancellazione del pennello; il sistema a colori specifica come deve essere codificato il segnale del colore.
Lo standard americano è composto da 575 linee e 60 semiquadri completi al secondo, quello europeo 625 linee e 50 semiquadri.
Il sistema a colori americano è il NTSC (National Television System Committe), l'europeo è il Pal (Phase Alternation Line) ed il francese è il SECAM (Sequentiel à mémorie); le due norme non devono essere confuse, tanto è vero che si può avere in teoria l'NTSC con lo standard europeo ed il Pal con lo standard americano, vedi l'uscita video dei computer.
Il sistema a colori deve risolvere i seguenti problemi:
- mantenere le caratteristiche del video composito, vedi l'articolo precedente, in grado di fornire ai ricevitori in b/n una completa informazione televisiva, denominata luminanza Ey, tenendo presente che nel periodo della nascita della televisione a colori, l'anno 1953 per l'America ed il 1970 per l'Italia, la maggior parte dei televisori esistenti erano in b/n
- aggiungere la componente cromatica Ec, composta da tre colori primari sufficienti per riprodurre la maggior parte delle tinte esistenti in natura, in modo da consentire ai ricevitori di ricostruire l'immagine a colori.
Le tre grandezze principali del colore sono: la luminanza (le variazioni dal nero, al grigio ed al bianco del segnale b/n), la tinta e la saturazione (le due componenti del colore).
La tinta è la caratteristica che distingue un colore da un'altro, pari alla variazione della lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica, identica a quella delle onde radio, raggi X, ecc.
La saturazione rappresenta la quantità di luce bianca presente nel colore saturo, ossia un colore più o meno intenso.
Dalla colorimetria, parte dell'ottica, apprendiamo che la riproduzione cromatica si basa su due metodi fondamentali:
la sintesi sottrattiva, utilizzata nella proiezione delle diapositive, consiste nel sottrarre da un fascio di luce bianca i tre primari, utilizzando dei filtri colorati.
la sintesi addittiva, utilizzata nella televisione a colori, consiste nel sommare i primari rosso, verde e blu, per ottenere il bianco, vedi la fig.1t.

Questo significa che la superficie del cinescopio dei monitori e dei ricevitori è costituito da terne di fosforo rosso, verde e blu, sistemati a triangolo a 120° od in linea, vedi fig.2t-m e 2t-l, ed ognuna concorre per ricostruire il punto dell'immagine.

In altre parole il punto del cinescopio inerente alla visione in b/n visto nel precedente articolo, ora è composto dalla mescolanza dei tre pixel sopra descritti.
Naturalmente i fosfori colpiti dal pennello elettronico del tubo, saranno più o meno attivi o più o meno luminosi, secondo il colore, la saturazione o il b/n da riprodurre.
Dopo questa premessa analizziamo come funziona il sistema a colori; nello schema a blocchi di fig.3t sono elencati i vari componenti:
- il sistema d'analisi, composto da tre telecamere, ognuna con un appropriato filtro a colore, in modo che all'uscita saranno presenti i tre segnali Er, Eg ed Eb, direttamente proporzionali al rosso (Red), al verde (Green) ed al blu (Blue) dell'immagine ripresa.
- il codificatore, dove le tre componenti sopra elencate sono trasformate in luminanza Ey ed in crominanza Ec, ed inserite nella banda video del segnale composito.
- il decodificatore, presente nel monitore e nel ricevitore, dove avviene il processo inverso, ossia la ricomposizione dei tre segnali Er, Eg ed Eb.
- il sistema di sintesi, composto dai circuiti di pilotaggio del tubo tricromico, con la visione dell'immagine ripresa.

Il codificatore

Nei riquadri inseriti nell'articolo, vi sono alcune nozioni di radio elettronica utili per la comprensione del funzionamento del sistema, che consigliamo di leggere.
I tre segnali Er, Eg ed Eb, prima di essere codificati, devono essere trasformati in Ey ed Ec per mezzo della matrice, fig.4t

Analizzando la curva di sensibilità dell'occhio, al variare della lunghezza d'onda della luce (pari ai vari colori), si nota che per ottenere la sensazione del bianco è sufficiente sommare i tre colori con percentuali diverse e precisamente:
Ey (bianco) = 0,30 Er + 0,59 Eg + 0,11 Eb, questa operazione è eseguita da tre partitori resistivi.
Il croma, per motivi di compatibilità con il b/n e per semplificare le operazioni di codifica e di decodifica, è composto da due segnali di differenza cromatica, Er-Ey proporzionale al rosso e Eb-Ey proporzionale al blu; il segnale Eg non è codificato perché si ricava dai tre segnali esistenti, come si vedrà in seguito.
I segnali differenza colore si ottengono semplicemente sottraendo da Er e da Eb la luminanza Ey.
Prima di approfondire il funzionamento del codificatore una premessa, l'occhio è in grado di percepire i maggior dettagli nel b/n piuttosto che nel colore, quindi il segnale Ey di luminanza è trasmessa con la massima larghezza di banda possibile (5 MHz), mentre l'informazione cromatica è trasmessa con una larghezza di banda minore (1,3 MHz).
Tenendo presente che, un segnale transitando in un amplificatore a banda stretta è ritardato maggiormente al confronto di quello a banda larga, è inserito nel canale di luminanza una linea di ritardo, da rendere in fase i due segnali.
Vediamo come è possibile far convivere i due segnali differenza colore con il segnale Ey; una statistica effettuata nello spettro energetico di varie immagini televisive, ha evidenziato alcuni spazi vuoti verso le frequenze alte della banda (4-5 MHz) vedi fig.5t, idonee allo scopo.

In altre parole, poiché nella banda video esistono delle frequenze normalmente non utilizzate, si è pensato di inserire in esse una oscillazione a 4,43 MHz, la sottoportante colore, e modularla in ampiezza con il segnale cromatico nei sistemi NTSC e PAL ed in frequenza, a riga alternata, nel sistema SECAM, tenendo presente che sono due i segnali cromatici modulanti..
Rammentando le nozioni di radioelettronica, è possibile avere due oscillazioni a 4,43 MHz sfasate di 90° e modulare ognuna con Er-Ey e Eb-Ey simultaneamente, ossia la modulazione di ampiezza in quadratura QAM;

nella fig.6t sono raffigurati i due vettori delle sottoportanti sfasate di 90° tra di loro, ed i vettori delle bande laterali.
La frequenza della sottoportante per il sistema PAL, al fine di diminuire le inevitabili interferenze del segnale a 4,43 MHz vista dai televisori b/n come righette fini oscillanti, il moirè, è pari a:
Fsp = (284-1/4) fh +25 = 4.433.618,75 Hz dove fh è la frequenza di riga pari a 15.626 Hz.
Un ulteriore passo, sempre per non interferire con i Tv a b/n, è la soppressione della sottoportante, lasciando unicamente le bande laterali,

fig.7t, utilizzando il modulatore bilanciato, usato anche nei trasmettitori dei radioamatori, fig.8t; in questo modo in mancanza del colore la sottoportante si annulla.
Giunti a questo punto, per meglio comprendere il funzionamento del codificatore, conviene ragionare non con i segnali utilizzati sinora, ma con i vettori che li rappresentano, chiedendo al lettore un piccolo sforzo mentale.
Nella fig.9t sono visibili i vari vettori:

V vettore risultante della somma, istante per istante, delle due bande laterali del segnale Er-Ey
U vettore risultante della somma, istante per istante, delle due bande laterali del segnale Eb-Ey
Vc vettore risultante della somma dei due vettori U e V, denominato fasore cromatico, il quale chiaramente avrà un'ampiezza ed una fase direttamente proporzionali ai due segnali Er-Ey e Eb-Ey, quindi al colore dell'immagine ripresa.
Vburst vettore del segnale di sincronismo del colore, composto da un treno di oscillazioni a 4,43MHZ con fase costante, inserito dopo il sincronismo di riga, durante la cancellazione orizzontale.
Questo segnale è necessario per consentire nel decodificatore la rivelazione dei segnali cromatici, fornendo le informazioni di fase e di frequenza della sottoportante, soppressa precedentemente.

In conclusione ogni riga del segnale video composito a colore, fig.10t, oltre al segnale analogico b/n della luminanza, avrà sovrapposto una oscillazione sinusoidale a 4'43 MHz, la crominanza, rappresentato dal vettore Vc, dove istante per istante la sua fase riferita al Vburst è la tinta e la sua ampiezza la saturazione da riprodurre, come si vede chiaramente nella fig.11t..

Vectorscopio

Nelle figure 12 t1 e 12 t2 è rappresentato il segnale barre di colore, utilizzato per la messa a punto dei televisori e dei monitori, rispettivamente nel vectorscope e nel cinescopio.

Barre colore utilizzate per le prove TV

Il vectorscope è un particolare oscillografo dove sono visualizzati i vettori del segnale video a colore, descritti precedentemente, e la loro fase riferita al burst; si noti le varie fasi dei colori primari rosso, verde e blu e dei colori complementari ciano, giallo e magenta.

Il decodificatore

Ne descriviamo brevemente il funzionamento: il decodificatore è ubicato nel ricevitore e nel monitore ed il suo compito è di ricavare dal segnale codificato Vc, visto precedentemente, la crominanza Er-Eb e Eb-Ey.
Successivamente, per mezzo della dematrizzazione, i segnali Ey e Ec sono trasformati nei segnali Er, Eg ed Eb, identici a quelli uscenti dalle telecamere, atti a pilotare il sistema di sintesi, o cinescopio tricromico.
Il segnale mancante nella codifica Eg si ricava dalla formula Ey = Er+Eg+Eb quindi Eg = Ey-Er-Eb; facendo gli opportuni calcoli, che non è il caso di proporli, si ottiene Eg = Ey-0,51 (Er-Ey) - 0,19 (Eb-Ey).
Abbiamo visto nel codificatore che la sottoportante è soppressa, quindi deve essere ricostruita mediante un oscillatore locale a quarzo a 4,43 MHz, sincronizzato in fase ed in frequenza dal sincronismo colore, il burst..
In altre parole l'oscillatore locale pilota due demodulatori del segnale cromatico sfasati di 90°, in modo che ognuno di essi riveli rispettivamente la variazione istantanea dei due segnali ER-Ey e Eb-Ey.

Il sistema Pal.

Come è facile intuire, se durante il transito attraverso i trasmettitori, i ripetitori, i ricevitori o le apparecchiature video, il segnale cromatico subisce una variazione di fase fra il vettore Vc ed il burst (denominata fase differenziale), si ha come conseguenza una variazione della tinta.
L'Ntsc, (sopra nominato Never Two Same Color, per questo motivo) per ovviare all'inconveniente è provvisto di una regolazione manuale esterna della fase ai demodulatori (hue control).
Il sistema Pal, inventato da ingegneri della Telefunken, in Germania, corregge automaticamente l'errore con l'artificio di invertire ad ogni riga dello stesso semiquadro, il vettore V di 180°.
Infatti, sommando opportunamente due righe adiacenti, ritardando di una riga il vettore Vc mediante una linea di ritardo ad ultrasuoni pari alla durata della riga di 64 micro secondi, e portarlo in coincidenza temporale con il vettore della riga successiva, si ottiene un vettore risultante in fase.
L'argomento è stato semplificato e ridotto all'essenziale, visto l'eterogeneità dei lettori; lo scrivente è completamente a disposizione per eventuali chiarimenti ed ulteriori approfondimenti della materia.