NTSC – PAL -SECAM: historia systemów telewizji kolorowej

Powstanie telewizji kolorowej było bardzo oczekiwane nieomal od początku rozpowszechnienia telewizji jako takiej. Przecież filmy w kinie już od jakiegoś czasu były kolorowe, w domu też by się tak chciało. Pragnienie było tak silne, że często pojawiały się rozwiązania „kolorowej TV” polegające na wielobarwnej szybie przed ekranem…

… której dodatkowo towarzyszyła wielobarwna szklana ryba.

Najważniejsze grafiki z tego artykułu w postaci PDF:

Przodujące w rozwoju TV Stany Zjednoczone w roku 1950 zaczęły badania nad rozwiązaniami umożliwiającymi nadawanie TV kolorowej. Zajął się tym Narodowy Komitet ds. Systemu Telewizyjnego, czyli NTSC, który po 3 latach prac ogłosił standard TV kolorowej znany pod taką właśnie nazwą.

Jak okazało się możliwe pogodzenie wszystkich wymagań i w ogóle uzyskanie obrazu kolorowego bez „rewolucji” za chwile się dowiemy.

Najpierw jednak zapoznajmy się z kilkoma sprawami podstawowymi, które pozwolą ze zrozumieniem śledzić tę opowieść.

Przede wszystkim pamiętajmy, że istnieją dwa mylone ze sobą pojęcia: standard TV i system TV.

STANDARD TV jest pojęciem wcześniej zdefiniowanym i dotyczy budowy sygnału wizyjnego i sygnału telewizyjnego, czyli tego, który jest zwykle drogą radiowa przesyłany do odbiorników telewizyjnych. To norma opisująca budowę zarówno sygnału wizyjnego (liczba linii obrazu, liczba ramek czyli obrazów na sekundę), jak i sygnału TV (polaryzacja modulacji, pasmo wizji, częstotliwość i rodzaj modulacji fonii itd.). Standardów na świecie jest kilkanaście, najbardziej znane to europejskie B, D, G i K (625 linii), ale także I, l, M (USA, 525 linii). W Polsce w zakresach I i III obowiązywał standard D, a w pasmach IV i V standard K. Poza nazwami nic ich właściwie nie różni.

Oto zestawienie tych standardów (kliknij link)

SYSTEM dotyczy sposobu kodowania i dodawania do sygnału wizji – sygnału o kolorach transmitowanego obrazu. NTSC, PAL lub SECAM to właśnie nazwy systemów TV kolorowej. W praktyce istniały trzy systemy, chronologicznie i w kolejności złożoności: NTSC, PAL i SECAM.

Niestety – w licznych publikacjach od jakiegoś czasu te dwa pojęcia są całkowicie pomylone i stosowane odwrotnie niż zostały zdefiniowane. A na przykład linkowany tu artykuł z Wikipedii stosuje określenie 'system’ zarówno dla 'standardu’ jak i dla 'systemu SECAM’ itp. Jest to niezrozumiały błąd i należy go zwalczać. Pojęcie standardu TV i systemu TV kolorowej jest utrwalone w całej literaturze przedmiotu, w dokumentach międzynarodowych organizacji TV, także na przykład w polskich normach:

PN-92/T-02030 – Sygnał telewizyjny standardu D.K. systemu SECAM

PN-94/T-02032 – Sygnał wizyjny systemu PAL.

W praktyce występują liczne kombinacje standardów i systemów, bo standard dotyczył „od zawsze” TV czarno-białej, a kolor został, co zaraz zobaczymy, „nałożony” na stara telewizję – według wybranego w każdym kraju systemu kolorowego.

Rozróżniajmy także sygnał wizyjny, czyli to co krąży po urządzeniach w torze wizyjnym i zawiera informację o treści poszczególnych linii obrazu…

… od sygnału telewizyjnego, czyli takiego jaki na falach radiowych jest emitowany przez nadajniki i odbierany przez telewizor.

Podstawowe zasady przyjęte w każdym systemie TV kolorowej:

• muszą być spełnione oba warunki odpowiedniości Valensiego,
• należy zapewnić możliwość odtworzenia tak wiernie i tylu odcieni barw ile tylko będzie możliwe przy zachowaniu odpowiedniości
• system musi być tylko na tyle złożony, by działał stabilnie, ale nie powodował nieprzewidzianych zakłóceń.

Ponieważ przesyłanie obrazu kolorowego polega na bardzo licznych „sztuczkach”, nie ma rady – musimy trochę podrążyć szczegóły, by te sztuczki zrozumieć.

Dlatego ten artykuł jest bogato ilustrowany i zachęcam, by śledzić to wszystko, co będzie powiedziane i pokazane. Bo inaczej się pogubimy lub powstaną niezrozumiałe luki w pojmowaniu zasad.

Zacznijmy od podstaw widzenia barwnego, bo właśnie one pozwoliły rozwiązać to zadanie.

Oko jest wyposażone w dwa rodzaje receptorów światła:

• czułe pręciki odpowiadające za odbiór „siły światła” – jasności, czyli tego, co jest istotą telewizji czarno-białej i nazywa się w niej luminancją (symbol Y)
• dużo mniej czułe czopki, receptory barwy, trzech rodzajów: wrażliwe na światło czerwone, zielone i niebieskie.

Oto charakterystyki ogólnej czułości oka na barwy oraz poszczególnych rodzajów czopków:

Widzimy, że oko jest najczulsze na światło żółtozielone ok. 550 nm.

A zatem „nic prostszego” jak wytworzyć, przesłać i odebrać trzy sygnały barwne: czerwony (R), zielony (G) i niebieski (B), bo skoro oko w ten sposób widzi wszystkie możliwe kolory, to telewizja będzie w stanie zapewnić to samo. I tak właśnie się dzieje.

Od razu zobaczmy typowe charakterystyki emisji trzech rodzajów luminoforów barwnych RGB w kineskopie, który odtwarza kolory z tych trzech świateł:

Każdy obraz barwny można sprowadzić do czarno-białego (tak przecież działa zwykła TV)…

… i rozłożyć dość łatwo na trzy składowe RGB:

… z których każda ma swój nierówny udział w tworzeniu obrazu jednobarwnego, co za chwilę się przyda.

Czy to oznacza, że emisja kolorowa to aż CZTERY sygnały obrazów równocześnie przesyłane? Czyli

• luminancja (jasność obrazu, obraz szary)
• i trzy składowe obrazy R, G i B?

I to wszystko w jednym kanale TV szerokości 8 MHz?

Najprościej byłoby przeznaczyć na jeden program 4 kanały TV i w każdym z nich przesyłać te sygnały Y, R, G, B. Oczywiście jest to i niewykonalne, i niezgodne z odpowiedniością.

Żeby ten problem rozwiązać, przestudiowano psychologię widzenia oraz dokładnie przyjrzano się sygnałowi TV. Zapoznajmy się niezbędnymi informacjami. Najpierw sprawy dostrzegania szczegółów przez nasz wzrok.

Wiemy już, że czopki, które odbierają informację o kolorze, są o wiele mniej czułe od pręcików, dlatego w nocy wszystkie koty są szare. Czopków jest też dużo mniej niż pręcików. A zatem „na szczęście” postrzeganie kolorów mamy bardziej ułomne niż postrzeganie konturów.

Zobaczmy taki eksperyment. Z kolorowego obrazka zabierzmy co czwarty, a nawet co ósmy piksel. Zatem ten środkowy obrazek zawiera 16 razy mniej treści niż oryginał, a ten prawy nawet 64 razy mniej.

Te skompresowane obrazki rozciągnijmy do rozmiaru pierwotnego. Na miniaturkach widzimy wzrastającą „pikselizację” obrazu, te obrazki z kompresją są fatalnej jakości!

… ale gdy nałożymy je na obrazek jednobarwny, czyli podkolorujemy ten szary obrazek, całość staje się zupełnie znośna w oglądaniu, zwłaszcza gdy zatrzymamy się na kompresji 1 do 4:

Wniosek praktyczny: Informacja o kolorze wcale nie musi być tak samo bogata w treść jak informacja o konturach i jasnościach, czyli jak sygnał luminancji. Całe szczęście. Wystarczy zadziałać tak jak dziecko, które choć niedokładnie koloruje obrazek, dzięki silnym konturom uzyskuje dobry efekt.

A więc nie musimy zajmować aż całego pasma wizji na kolory. Luminancja (czyli obraz czarno-biały) oczywiście musi zająć całe pasmo, by spełnić odpowiedniość, a ile to jest „całe pasmo”, zobaczymy za chwilę.

Te zasady przydały się twórcom wszystkich trzech systemów TV kolorowej.

Teraz pora na studia nad sygnałem wizji.

Wiemy, że linii w obrazie jest 625, ale to nieprawda… Tyle rzeczywiście jest przesyłanych, ale ze względu na konieczność wygaszania powrotów plamki, co wykorzystuje się także na synchronizację, na ekranie mamy ich mniej, Do rachunków przyjmijmy jednak uproszczenie, że linii jest 600, a proporcje obrazu są 4:3.

Dlaczego są takie? Bo są dość silnie ta zbliżone do pięknej dla oka „złotej proporcji”. „Złotą proporcję” ma prostokąt, jaki większość namaluje „z głowy” na prośbę o narysowanie po prostu prostokąta:

Dziś przeważają proporcje „panoramiczne” 16:9. Ale nie w epoce, o której rozmawiamy.

A zatem: ile jest elementów w jednym obrazku, a dziś powiedzielibyśmy „pikseli”? Oczywiście 600 razy 4/3, czyli 600 razy 800 = 480 tysięcy. Zaraz uzasadnimy ten wynik.

Obejrzymy teraz najnudniejszą audycję TV jaką można sobie wyobrazić (poza szarym pustym ekranem): niech na obrazie będzie szachownica składająca się z pól o rozmiarach jednego piksela, na przemian czarnych i białych:

To rzeczywiście mimo nudy jest obraz tak bogaty w treść jak tylko możliwe: zawiera najgęstsze skrajne zmiany jaskrawości obrazu. Czujemy więc, że taki obraz wymaga najszerszego pasma częstotliwości sygnału wizji. Jakiego?

Poczytajmy opisy na poszczególnych kolejnych ilustracjach

A zatem 6 MHz.

Mogłoby z tego wynikać, że sygnał TV zajmuje równomiernie te kilka MHz. I znów na szczęście dla koloru – jest zupełnie inaczej. Nie tak:

… lecz statystycznie mniej więcej tak:

Przeważają składniki do 2 MHz, a powyżej tej częstotliwości są ledwo, ledwo. Ale jednak są, odpowiadają za widoczność drobnych szczegółów i nie wolno się ich pozbywać. Zaletą tego fragmentu widma jest jednak bardzo niski poziom składowych sygnału telewizyjnego.

Teraz pora, by temu wykresowi przyjrzeć się przez mikroskop.

Skróćmy opowieść: po dużym powiększeniu zauważymy, że widmo sygnału TV jest nie ciągłe, lecz prążkowe; prążki są rozłożone w rytmie wynikającym z przyjętej częstotliwości odchylania poziomego i pionowego, czyli 15 625 i 50 Hz. Przy tym poszczególne prążki wraz ze zmieniającą się treścią obrazu wykonują taniec wokół swoich pozycji:

Po tak dogłębnym przestudiowaniu sygnału TV naukowcy wiedzieli co zrobić. Należy w górnej części widma, nie za blisko tych 2 MHz, ale też nie za daleko, bo sygnał może zbytnio się stłumić, umieścić dodatkową emisję TV związaną z kolorem. Czyli „program w programie”.

Tego rodzaju zasada przydała się też później np. przy transmisji radiowej audycji stereo, gdzie także musi być zachowana odpowiedniość: oprócz „zwykłego” sygnału mono stosuje się podnośną 38 kHz, która przenosi sygnał z informacją o kierunkach. Nie będziemy tego tu rozwijać. Różnica jest taka, że w stereo sygnał dodatkowy o kierunku jest przenoszony całkowicie powyżej sygnału mono, a w TV nie ma takiej możliwości i sygnał o kolorze musi być wpleciony wewnątrz widma sygnału luminancji.

I tu właśnie dobrze zagrała ta prążkowa budowa sygnału TV.

Dla podnośnej chrominancji (informacji o kolorze) przyjęto w każdym z trzech systemów okolice nieco ponad 4 MHz. I zrobiono wszystko, by ten sygnał, także o budowie prążkowej swojego widma, wplótł się dokładnie pomiędzy prążki widma luminancji. Dlatego częstotliwość nośnej wizji oraz podnośnej koloru musi być precyzyjna i bardzo stabilna.

Ponadto skorzystano z tego, że wzrok, jak już wiemy, nie wymaga dostarczania informacji o kolorze drobnych elementów, zatem sygnał koloru nie musi mieć pasma aż kilku MHz. Dlatego PAL i SECAM obcinają widmo chrominancji do 1,5 MHz, a NTSC ma trochę większą fantazję, ale też mniej więcej podobnie obcina pasmo koloru.

W rezultacie widmo kolorowego sygnału TV wygląda mniej więcej tak:

To jest pierwsze zastosowanie „wad oka” w postrzeganiu drobnych kolorów. PAL i SECAM tę wadę wykorzystują jeszcze w inny sposób, o czym za chwilę.

Ale czym jest ten sygnał koloru? Przecież kilka minut temu dowiedzieliśmy się, że potrzebne są trzy składniki barwne R, G i B. A tu na kolor przeznaczamy jedno pasmo wplecione w widmo luminancji, co więc z pozostałymi dwoma sygnałami?

Widzieliśmy już ilustrację obrazu barwnego rozłożonego na trzy składniki R-G-B.  Na tej grafice mamy podpowiedź: jeżeli dysponujemy trzema kolorowymi składnikami (na przykład z kamery TV), to po ich sumowaniu z odpowiednimi wagami (30, 59 i 11%)…

… otrzymamy piękny obraz czarno-biały, czyli sygnał luminancji Y.

Tutaj opowieść znów silnie skrócimy i zaznaczymy tylko wnioski: Można manipulować sygnałami R, G, B oraz Y poprzez proste sumowanie lub odejmowanie. W ten sposób dojdziemy do kolejnej „sztuczki” każdego systemu TV kolorowej, a jest to wniosek dość rewolucyjny:

nie musimy przesyłać aż 4 sygnałów, by transmitować obraz kolorowy przy zachowaniu odpowiedniości – wystarczy transmitować Y (czyli obraz czarno-biały) oraz… dwa sygnały uzyskane przez odejmowanie sygnałów barwnych od sygnału Y.

Praktycznie wybrano w każdym z trzech systemów transmisję sygnałów nazywanych różnicowymi: R-Y oraz B-Y. Będziemy je nazywali sygnałem „czerwonym” i „niebieskim”, ale pamiętajmy, że to są właśnie sygnały różnicowe, a nie „czyste” R lub B.

Mamy więc już istotny postęp. Zamiast trzech sygnałów o kolorze wiemy jak możemy posłużyć się tylko dwoma (różnicowymi), a w odbiorniku sobie ten trzeci kolor wyliczymy przez dodawanie i odejmowanie.

No ale to nadal o jeden sygnał za dużo: mamy tylko jedno pasmo chrominancji, możemy je podarować jednemu z sygnałów różnicowych, a co z drugim?

Tutaj właśnie zaczynają się rozchodzić idee stosowane w NTSC, PAL i SECAM. Ale też – dopiero tutaj. Dotąd omówiliśmy długą drogę wspólną dla wszystkich 3 systemów.

Za to różnice będą tym większe im później został opracowany system. I im późniejszy system, tym więcej zastosowanych w nim „sztuczek”, ale też więcej komplikacji.

Przy opracowywaniu pierwszego systemu amerykańskiego udało się rozwiązać problem: jak można na jednej częstotliwości (podnośnej chrominancji) przesłać równocześnie dwa sygnały, skoro normalnie modulacja nośnej kojarzy się nam z pojedynczą informacją.

Zastosowano tzw. modulację kwadraturową. W skrócie polega ona na takim składaniu dwóch sinusoidalnych sygnałów (tutaj są to właśnie sygnały różnicowe), że chwilowa faza i amplituda sygnału końcowego (podnośnej chrominancji) zależy od chwilowych amplitud tych sygnałów różnicowych.

Po stronie odbiornika łatwo można to zdekodować do dwóch odrębnych sygnałów, o ile zapewnimy przesyłanie znaków synchronizujących.

Zobaczmy ten ładny obrazek, nie przejmując się za bardzo jego dość bogatą treścią.

Istotne na tym wykresie wektorowym jest to:

• każdemu kolorowi odpowiada pewna chwilowa faza sygnału,
• istnieją dwie pomocnicze częstotliwości nośne reprezentowane na wykresie przez wektory I oraz Q, które zawsze są przesunięte w fazie względem siebie o 90° (to jest ta kwadratura);
• jedna taka pomocnicza nośna jest modulowana amplitudowo (AM) różnicowym sygnałem „czerwonym”, a druga „niebieskim”;
• to co się wytworzy na pomocniczych sygnałach nośnych I i Q jest sumowane; powstaje końcowy sygnał chrominancji (wektor P), którego chwilowa faza i chwilowa amplituda jednocześnie zależy od wielkości obu sygnałów różnicowych. Zależy od nich, to znaczy – przenosi o nich obu informację do odbiorcy.

A więc gdy poskładamy sygnał czarno-biały (luminancję) oraz tak zmodulowaną podnośną chrominancji, mamy pełny sygnał telewizyjny kolorowy zbudowany według systemu NTSC.

Prawie proste, prawda?

Okazało się jednak w praktyce nieco zbyt proste.

To co dobrze sprawdzało się w skali laboratoryjnej, w praktyce działało gorzej. Skoro informacja o kolorze każdego elementu jest zawarta w kącie fazowym sygnału chrominancji, to przecież każde przesunięcie tego kąta (opóźnienie) spowoduje zmianę koloru! A takie opóźnienie może zajść podczas transmisji w eterze, ale głównie w odbiorniku (zwłaszcza lampowym) ze względu na wysoką i zmieniająca się temperaturę zespołów elektronicznych.

I tak się niestety działo nagminnie. Stąd Amerykanie złośliwie rozszyfrowywali NTSC jako Never the Same Color (nigdy ten sam kolor), bo kolor, zwłaszcza tak wrażliwych motywów jak odcień skóry, co jakiś czas „płynął”.

Dlatego telewizory NTSC jako jedyne miały ten charakterystyczny potencjometr regulacji odcienia barwy (Hue). No może nie jako jedyne, radzieckie „Rubiny” miały nawet dwa takie regulatory, ale wynikało to z fantazji konstruktorów, a nie z właściwości systemu SECAM, w którym pracowały.

NTSC, ten najstarszy system TV kolorowej wcale więc nie był „taki ładny”. Mimo że amerykański.

Twórcy PAL z firmy Telefunken postawili sobie za cel wyeliminowanie tej podstawowej wady NTSC.

Nota bene szefem zespołu ds. PAL był inż. Walter Bruch, który swoją karierę z techniką telewizyjną zaczynał jako operator kamery TV podczas sławnych Igrzysk Olimpijskich w Berlinie w roku 1936.

Postanowiono utrzymać zasady z NTSC, ale istotnie je zmodyfikować, by kolor nie pływał. I to się udało.

To, co wymyślono, zawarto w nazwie systemu: PAL po polsku można rozszyfrować jako „linia o przemienianej fazie” (Phase Alternating Line). Chodzi o kolejne linie obrazu.

Na czym to polega i po co?

Plansza pokazuje bardzo skrótowo układ faz odpowiadających kolorom w dwóch kolejnych liniach obrazu. W skrócie: faza sygnału różnicowego „czerwonego” zmienia się o 180° co drugą linię obrazu, a faza sygnału „niebieskiego” pozostaje niezmienna. Widać to po kierunkach osi tych wykresów.

I teraz – jak to działa.

Jeżeli przesuniecie fazowe w rozgrzanym telewizorze wyniesie np. o 4° „w prawo”, będzie to dotyczyło oczywiście każdej linii i każdego sygnału.

Ale sygnał „czerwony” w odbiorniku zostanie za chwilę ponownie obrócony w fazie o -180°, a więc to co się przesunęło „w prawo”, po tej operacji jest przesunięte „w lewo” o te same 4°.

Jeżeli teraz weźmiemy sygnał z linii N i sygnał z kolejnej linii obrazu, następnie ich wektory dodamy do siebie, przesunięcia fazowe się odejmą do zera!

 A zatem kolor elementów obrazu nigdy nie będzie pływał. O ile zapewnimy dość złożoną synchronizację tych procesów, jednak to się udaje.

PAL pozbył się więc podstawowej wady swojego „ojca” NTSC.

Ale jak to – zatem sumujemy ze sobą sygnały dotyczące dwóch różnych (choć sąsiednich) linii i nie ma w tym niczego złego?

Już dawno temu inż. Henri de France, ten sam, który później opracował SECAM, zbadał, że dwie sąsiednie linie statystycznie przeważających obrazów różnią się bardzo niewiele od siebie. Zatem gdy do korekcji faz używamy sygnałów z dwóch sąsiednich linii, zniekształcamy informację o kolorze bardzo nieznacznie. W gruncie rzeczy odpowiada to zmniejszeniu rozdzielczości pionowej koloru na obrazie z 576 linii do 288, o połowę. No ale przecież rozdzielczość koloru już zmniejszyliśmy (w kierunku poziomym) filtrując pasmo do 1,5 MHz zamiast 5 MHz. I jak wiemy, w znikomy sposób objawia się to pogorszeniem jakości obrazu barwnego. A zatem tak można.

Ale skąd będzie analogowy odbiornik (a raczej jego dekoder, a w studiu koder) wiedział jaki był sygnał poprzedniej linii?

I tu pojawia się linia opóźniająca o 64 µs, którą tu w Polsce najbardziej kojarzymy z telewizorami SECAM. A jednak taka ultradźwiękowa linia opóźniająca to element wprowadzony przez PAL. W SECAMIE też jest, ale wykorzystuje się ją zupełnie inaczej.

Linia opóźniająca 64 µs w PAL zapewni dostarczenie do odpowiedniego układu dokładnie zsynchronizowanego sygnału linii poprzedniej.

Zobaczmy teraz bardzo uproszczony schemat budowania sygnału PAL z trzech sygnałów RGB np. z kamery. Schemat pomija kilka „sztuczek” z mnożeniem sygnału przez współczynniki i kombinacjami fazowymi. Nie zajmiemy się też sygnałem luminancji Y, który tam sobie przelatuje obok.

• Macierz to układ wytwarzający metodą sumowania i odejmowania wszystkie potrzebne sygnały: Y i dwa różnicowe, „czerwony” i „niebieski”,
• Rolę filtrów dolnoprzepustowych do 1,5 MHz już znamy, ograniczają pasmo sygnałów koloru,
• Dwa modulatory wytwarzają modulacją AM gotowy pomocniczy sygnał podnośnych wzajemnie przesuniętych w fazie o 90° (sygnały kwadraturowe),
• Rolę przełącznika fazy sygnału „czerwonego” już znamy,
• Na końcu z wykorzystaniem linii opóźniającej następuje wytworzenie gotowej podnośnej, słynnej 4,43 MHz.

Ten odstęp na rysunku między filtrami a modulatorami to nie niechlujstwo autora grafiki; tę lukę zapełnimy, gdy dojdziemy do systemu SECAM.

Tu warto wspomnieć, ze w odbiornikach TV każdego systemu istnieje też druga linia opóźniająca o zupełnie innym przeznaczeniu budowie i czasie opóźnienia sygnału. Czas ten jest rzędu 700…800 ns (0,7…0,8 µs). Służy do opóźnienia… sygnału luminancji względem sygnału chrominancji. O rety! dlaczego ten sygnał wymaga opóźnienia i po co jeszcze jedna komplikacja?

Wynika to z teorii elektrotechniki (potwierdzonej oczywiście praktycznie): ponieważ szerokość pasma chrominancji jest 4 razy mniejsza niż pasma luminancji

sygnał chrominancji transmituje się w obwodach wolniej właśnie o ten ułamek mikrosekundy. Aby więc kolory trafiały w dobre miejsce na czarno-białym obrazie, konieczne jest ich opóźnienie właśnie o tyle. Taka jest zasada budowy linii opóźniającej sygnał luminancji:

Ale przecież takie nakładanie sinusa 4 MHz na sygnał luminancji już widzieliśmy na wcześniejszej ilustracji:

Czy zatem nakładanie chrominancji na sygnał luminancji nie pokaże się na obrazie jako prążki? A co z zasadą odpowiedniości – dodanie koloru nie ma przecież psuć jakości odbioru czarno-białego?

Twórcy systemu PAL zrobili dużo, by tak nie było, ale nie da się uniknąć pojawiania się śladu sygnału chrominancji na obrazie czarno-białym.

By jej widoczność zminimalizować, starannie dobrano częstotliwość podnośnej chrominancji jako konkretną wielokrotność częstotliwości odchylania. Eksperymenty wskazały kiedy widoczność prążków podnośnej jest najmniejsza. Ostateczny efekt jest jednak taki:

Na koniec opowieści o PAL zobaczmy jak wygląda rzeczywiste widmo sygnału telewizyjnego zakodowanego według tego systemu:

Patrząc na ten ciekawy obrazek z analizatora widma odpoczniemy chwilę, po czym zmierzymy się z najpóźniejszym i najbardziej złożonym systemem SECAM, który trwał w Polsce przez 25 lat.

Twórcy systemu SECAM z Henri de France na czele postawili sobie za jeden z ważniejszych postulatów – uczynienie tych prążków jeszcze mniej widocznymi.

I uzyskali ten efekt – kto wiedział o co chodzi, bez trudu rozpoznawał na czarno-białym ekranie czy emisja jest w PALu czy w SECAMIe – kropeczki podnośnej w PALu były wyraźnie widoczne, w SECAMIe prawie w ogóle. Ale za to liczba dodatkowych „sztuczek” technicznych w SECAMIe wzrosła wyraźnie.

SECAM jest więc systemem najbardziej rozwiniętym, to znaczy z największą liczbą rozmaitych przekształceń sygnału. Zasadę odpowiedniości spełnia lepiej niż PAL (jednak moim zdaniem żaden z widzów tego nie był w stanie docenić ani się tym przejąć), a dodatkowe komplikacje kodowania i dekodowania wprowadziły pewne wady.

Ale też i pewne zalety. Przejrzyjmy ten system skrótowo.

Podstawowa różnica między SECAM a PAL polega na zupełnie innym pomyśle na równoczesne przesyłanie dwóch sygnałów różnicowych: w ogóle nie ma przesyłania równoczesnego! Opisuje to sama nazwa systemu, którą można przetłumaczyć jako „sekwencja kolorów z pamięcią”. Sekwencja, czyli jeden po drugim.

I tak właśnie tu się dzieje. Jeden sygnał różnicowy na jednej linii obrazu, a drugi na kolejnej i tak naprzemiennie. A pamięć 64 µs służy tu do przechowania sygnału z poprzedniej linii, by go użyć razem z sygnałem bieżącym podczas dekodowania.

W ten sposób na końcu dekoder zawsze dysponuje dwoma sygnałami różnicowymi, nie przejmując się, że każdy z nich pochodzi z innej linii obrazu. Jak wiemy już z opisu PALa, w niczym to nie szkodzi jakości obrazu.

Druga podstawowa różnica to zastosowanie dla podnośnej koloru – modulacji częstotliwości FM, a nie modulacji amplitudy AM, jak to miało miejsce i w NTSC, i w PAL. W ten sposób uzyskano duży postęp w ukrywaniu widoczności podnośnej koloru na ekranie monochromatycznym.

Ale modulacja częstotliwości, ta sama jaką znamy z radiofonii UKF, ma swoje wymagania, które wnosi w posagu jako dodatkowe operacje na sygnałach – w koderze i dekoderze.

Trzecia różnica to zastosowanie dwóch podnośnych koloru, a raczej dwóch różnych częstotliwości dla sygnału „czerwonego” i „niebieskiego”. Między innymi zwiększa to odporność na zakłócenia transmisji koloru.

Obie częstotliwości są starannie dobrane pod względem ukrywania ich na ekranie czarno-białym. WYkorzystanie tych częstotliwości jest dość złożone, bo manipuluje się fazą co drugą linię. Nie ma co tego rozważać szczegółowo.

Porównajmy przetwarzanie sygnału w koderze SECAM ze znanym schematem dla PAL:

Jak widać puste miejsce na grafice PAL mocno się wypełniło na grafice SECAM… Zachodzi tu znacznie więcej procesów na sygnale.

Występują dwie równoległe ścieżki obróbki sygnałów różnicowych, które dostarczają gotowych sygnałów do podnośnych koloru (na grafice jest rozrysowana tylko ścieżka sygnału „czerwonego”).

W koderze SECAM ze względu na modulację częstotliwości sygnał różnicowy jest poddawany procesowi preemfazy [wym. pre-emfazy] – podobnie jak sygnał dźwięku w nadajniku UKF FM. Pozwala to znacznie ograniczyć szumy.

Jednak sygnał po preemfazie ma charakterystyczne „wyskoki”, jest w pewnym sensie „zróżniczkowany”.

Niby nic, a jednak w wielu fragmentach obrazu te wyskoki powodowałyby przesterowanie modulatora podnośnej, co powodowałoby niekontrolowane „rozlanie się” prążków chrominancji i ich uwidocznienie na obrazie mono. Zatem te „wyskoki” przechodzą przez ogranicznik amplitudy:

Oczywiście wpływa to teoretycznie na jakość koloru, ale w praktyce takie zniekształcenia (obcięcia szczytów) nie mają dla widza znaczenia.

Dalej sygnał trafia na modulator częstotliwości, po którym ma już, jak to znamy z FM w radiofonii, stała amplitudę, lecz inną częstotliwość dla każdej wartości sygnału różnicowego. Widzimy to na schemacie – kreskowanie prostokącików ma inną gęstość dla każdego koloru obrazu pasów.

I to nie koniec: już prawie gotowy sygnał na podnośnej koloru jest dalej kształtowany: poddawany preemfazie, tym razem na częstotliwości wysokiej: Używa się do tego filtru pasmowego powszechnie nazywanego od kształtu charakterystyki „antydzwonowym”; w koderze mamy filtr odwrotny, czyli „dzwonowy”.

Na tym rysunku widzimy też dokładne wartości częstotliwości podnośnej koloru podczas nadawania linii „czerwonej” i „niebieskiej”. Widać, że obie częstotliwości są tu także nieco wyższe niż 4 MHz, jednak nie jest to dokładnie PALOwska 4,43.

Ostatecznie więc uzyskujemy sygnał chrominancji zmodulowany częstotliwościowo, który po drugiej preemfazie znów nabawił się wyskoków, tym razem na podnośnej 4 MHz.

Zobaczmy jak wygląda sygnał wizyjny CXYS w systemie SECAM:

Te wszystkie komplikacje plus jeszcze kilka, które pominiemy, doprowadziły do tego, że struktura tak zamieszanych kropek od podnośnej (raczej od 2 podnośnych) koloru jest na tyle złożona, że mało widoczna:

Ponadto stosuje się wykrywanie istnienia chrominancji po to, by w razie nadawania programu czarnego przywrócić płaską charakterystykę toru luminancji, która przy programie barwnym ma wytłumienia w miejscu obu podnośnych:

Dziś nie ma to znaczenia, ale w początkach TV kolorowej tylko część audycji była w kolorze i należało to i owo blokować, by nie było kolorowego „confetti” na ekranie, gdy program był czarno-biały.

Więcej udoskonaleń twórcy SECAM nie wymyślili… Ale chyba wystarczy? Już za te opisane i za to, że to wszystko świetnie działa, powinni  dostać nagrodę Nobla…

No bo jednak system SECAM IIIB opt(ymalizowany) (używana u nas ostatnia wersja) wbrew częstym obiegowym opiniom był bardzo dobrym i dojrzałym systemem. Te opinie chyba często miały podłoże politycznej niechęci do wszystkiego co nam „narzucano”.

Ale SECAM miał swoje istotne wady. I nie chodzi tu o jakość sprzętu studyjnego ani o to, że telewizory się zapalały. To akurat nie była wina twórców systemu…

Jedną z widocznych wad SECAMU było przeciąganie koloru na krawędziach. Czasami mniej, czasami bardziej widoczne. Podczas sygnału testowego szczególnie wyraźnie można było to zobaczyć i żadna regulacja nie pomagała:

Druga wada dotyczyła techniki studyjnej i właściwie mogłaby mało obchodzić widza. Jednak komplikowanie techniki studyjnej w połączeniu z nienadążaniem z poprawna regulacją urządzeń powodowały, że była to wada istotna.

Dopóki tworzenie programu w studiu polegało na zwykłym natychmiastowym przełączaniu obrazu z różnych źródeł (poszczególnych kamer, magnetowidów, telekina, linii zewnętrznej), problemu nie było. Obraz SECAM przełącza się jak w każdym systemie, wymagana jest synchronizacja, ale nie ma z tym problemów.

Problemy zaczynają się, gdy potrzebne jest trikowe miksowanie płynne, takie „na heblach” – jeden obraz przenika w drugi.

W PAL czy NTSC łatwo po koderze odzyskać składowe RGB. W SECAM żeby przeprowadzić trwające sekundę płynne miksowanie obrazów, należało:

• tuż po poruszeniu „tłumika” na stole realizatora obrazu zapewnić błyskawiczne automatyczne przełączenie na tory miksowania płynnego,
• w torach miksowania płynnego obu używanych obrazów dokonać rozdziału na luminancję i chrominancję, a skoro chrominancja jest „zanurzona” w luminancji, oznaczało to po prostu zastosowanie filtrów, co psuło jakość luminancji w tym czasie,
• zdemodulować z FM sygnały koloru,
• równocześnie (tym samym suwakiem na stole), ale całkowicie niezależnie regulować proporcje luminancji oraz chrominancji obu miksowanych obrazów,
• a gdy suwak regulatora doszedł do pozycji końcowej, błyskawicznie przełączyć na stałe na ten drugi obraz i zakończyć wykorzystywanie torów miksowania płynnego.

Ten skomplikowany proces w praktyce eksploatacyjnej nie dawał dobrego efektu na ekranie. Zbyt często dla widza tuż po lekkim dotknięciu suwaka miksera obraz nagle się mglił, a na końcu operacji nagle odzyskiwał „żywość”.

Natomiast budowa sygnału SECAM bardzo ułatwia zapis magnetyczny. A raczej: powoduje, że obraz jest bardziej odporny na wahania prędkości taśmy. Szacuje się, że mogą one być większe 5-krotnie niż dla sygnału PAL. Mowa oczywiście o magnetowidach studyjnych, bo zapis obrazu w magnetowidach domowych nie miał żadnego związku z systemem SECAM.

Komplikacja urządzeń studyjnych spowodowała, że w pewnym momencie nasze studia pracowały w PALu, a na SECAM transkodowano sygnał dopiero na wyjściu „w świat”. Zasada słuszna, ale w polskiej sieci transmisyjnej (o której mówiliśmy przez dwa odcinki o liniach radiowych) powodowało to dodatkowe komplikacje.

Bo wyobraźmy sobie sytuację, w której kończy się na antenie ogólnopolskiej program nadawany np. z Krakowa, a zaraz po tym wchodzi program lokalny jak poznański „Teleskop” (mówimy oczywiście o latach 90, a nie o stanie obecnym). Jaką drogę przebywa sygnał programu?

• Obraz w studiu krakowskim jest produkowany jako PAL,
• na wyjściu do łącza spływowego do Warszawy (na schemacie S) jest transkodowany na SECAM, bo każdy ośrodek i Warszawa tak miały wysyłać sygnał, gdy SECAM był obowiązujący,
• jako SECAM dochodzi na Woronicza, gdzie studia i zespół emisji pracują w PAL, a zatem jest transkodowanie na PAL,
• po czym jako program ogólnopolski musi wyjść „w świat”, jest więc transkodowany na SECAM,
• po łączu TV2 (na schemacie R) dociera do poznańskiego ośrodka TVP, które też już pracuje w PAL, zatem transkoduje sobie sygnał z SECAM na PAL i przepuszcza go przez swój mikser w kierunku Piątkowa i dalej do nadajników obszaru poznańskiego – no ale oczywiście ze studyjnego PAL transkoduje na SECAM, bo wychodzi „w świat”.

Jak widać, liczba transkodowań „w te i wewte” jest w tym przypadku ogromna i nie mogło to pozostać bez wpływu na jakość obrazu. Oraz na to, że w chwili przełączania (o czym może będzie w przyszłości osobna opowieść) jakość skokowo się zmieniała.

A już szczytem improwizacji kosztem jakości obrazu było dość późne  wprowadzenie w TVP logo stacji w górnym prawym narożniku w pierwszej połowie lat 90. Być może z powodu tej mieszanki systemów w technice studyjnej wmiksowanie logo nie uzyskiwano oczywistą techniką DSK, co dziś robi każdy program do streamingu, lecz w jakiś złożony sposób z transkodowaniem i chyba blue-boksem lub chroma key’em.

Efekt był opłakany: w chwili włączania logo (początkowo tylko na filmach) obraz nagle przesuwał się w prawo i zyskiwał fioletowawy odcień… Na szczęście po jakimś roku tej improwizacji sytuacja się poprawiła.

Ostatecznie SECAM przegrał w polskiej telewizji, a była to zasługa nieustępliwości naczelnego inżyniera Adama Brodziaka.

SECAM przegrał nie przez to, że był z założenia zły, politycznie wymuszony czy dawał kiepski obraz. Po położeniu na szali różnych cech PAL i SECAM waga dążyłaby do wyrównania. Twórcy SECAM twierdzili, że i koder, i odbiornik SECAM są prostsze niż PAL, także do regulacji. Ale wśród wypowiedzi na „elektrodzie” liczba opinii „prostszy był PAL” i „prostszy był SECAM” jest jednakowa żadna z tych opinii zdaje się nie przeważać.

I zapewne przeważyła ta technika studyjna w połączeniu z olbrzymią już liczbą odbiorników mogących odbierać PAL fabrycznie lub wyposażonych w dorabiane transkodery w epoce „szału magnetowidowego”.

Modulacja sygnałem wizyjnym ma obciętą wstęgę boczną – ale dlaczego nie całą, lecz zostawiono jakiś „szczątek“ z lewej strony?

To praktyczny kompromis między:

• dążeniem do jak największego zaoszczędzenia pasma (przy typowej modulacji AM należałoby zająć na wizję 12 {10} MHz, prawda?)
• a koniecznością uniknięcia przykrych zakłóceń na obrazie.

Skąd zakłócenia? Z „pływania” fazy sygnału. Zwykła dwuwstęgowa modulacja amplitudy AM nie powoduje niezamierzonej modulacji fazy, jednak gdy zaczynamy obcinać którąś wstęgę modulacji, cały sygnał zmodulowany zaczyna mieć takie wahania fazy, które objawią się przykrymi zniekształceniami. Najlepiej zawsze widać to na wektorowym wykresie modulacji, jednak ponieważ jest to mimo wszystko wątek bardzo poboczny, zaniecham takiego rysunku (właściwie konieczna byłaby ruchoma animacja, bo takie wektory musza się obracać, by coś zilustrować). Wystarczy pamiętać, że tak jest. I jeżeli pozostawimy taki kawałek obcinanej wstęgi bocznej, by zawierał przeważającą część energii, zniekształcenia fazy będą niezauważalne. Ten „kawałek” ma standardowo szerokość 1,25 MHz, co zgadza się z wykresem statystycznego rozkładu energii sygnału wizyjnego.

Taka modulacja nie jest zatem modulacją AM, mimo że w zasadzie sygnał wizyjny moduluje właśnie amplitudę fali nośnej. Określa się taką modulację jako VSB (Vestigal SideBand – resztkowa wstęga boczna).

Najważniejsze grafiki z tego artykułu w postaci PDF:

Literatura źródłowa i inspiracje do grafik:

• J. Morawski „Urządzenia telewizyjne”, WSiP Warszawa 1988
• A. Fiok „Podstawy ogólne” z serii „Telewizja”, WKiŁ Warszawa 1996
• J. Chabowski, W. Skulimowski „Telewizja w pytaniach i odpowiedziach” WNT Warszawa 1982
• B. Urbański „Rejestracja sygnałów wizyjnych” WKiŁ Warszawa 1982
• „Poradnik technika telewizji” WNT Warszawa 1970
• E. Aisberg, J. P. Doury „Telewizja kolorowa: to prawie proste” WNT Warszawa 1971
• red. A. Wojnar „Poradnik inżyniera radioelektryka” WNT Warszawa 1969
• J. Kania, W. Skulimowski „Odbiorniki telewizji kolorowej systemu SECAM” WKiŁ Warszawa 1972
• A. Śmiałek „Towary modne” (seria filmów YouTube)