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Sistema NTSC


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Características principales del sistema NTSC

  • La señal Y se trasmite por modulación de amplitud con banda lateral vestigial, sobre una portadora de R.F. correspondiente al canal utilizado.

  • Cb (diferencia al azul) modula en amplitud a una subportadora de valor fsp=3.58MHz.

  • Cr (diferencia al rojo) también modula la misma portadora de 3.58MHz, pero tras haber sido adelantada en 90 grados.

  • Esta modulación de la croma, recibe el nombre de modulación en cuadratura, y permite que ambas componentes de color puedan modular a la subportadora y luego ser recuperadas en el receptor.

  • La modulación del croma se realiza con circuitos del tipo modulador balanceado, lo que significa que no se trasmite la subportadora, pues afectaría la luma y por ende la imagen.

  • En el receptor se genera la subportadora en forma local, con un cristal de 3.58MHz.

  • La fase de la subportadora es esencial para el funcionamiento correcto del sistema, por lo que esta fase se toma de la señal de burst (ciclos de subportadora) que se envían en el pórtico posterior de borrado, tras el impulso de sincronismo horizontal.

  • Al adicionar la croma a la luma, se encuentra que tal como se estableció hasta ahora para algunos colores, se produce sobremodulación, por lo que se hace necesario reducir en amplitud las señales de diferencia de color en 2.03 y 1.14.Tras esto, se aplican las señales Cb y Cr a los moduladores balanceados.

Señal de prueba de barras de color

Se trata de una señal constitutiva de 8 barras verticales adyacentes que presenta los 3 colores primarios (rojo, verde y azul), sus respectivos complementarios (cian, púrpura y amarillo) y además el blanco y el negro. La suelen trasmitir las emisoras previo al comienzo de la programación y sirve al usuario para corregir si es necesario los matices de su receptor. El arreglo de colores no es arbitrario, sino empieza por el de mayor luminancia (el blanco) y termina en el extremo derecho con el negro (luminancia nula). Por lo tanto, la secuencia de colores es: blanco, amarillo, cian, verde, magenta, rojo, azul y negro.

Señales I y Q

En el sistema NTSC, a diferencia del PAL y el SECAM, en lugar de modular la crominancia según sus coordenadas Cb y Cr, se rotaron los ejes hacia 33 grados, a los que se llamo eje Q y 123 grados, al que se llamo I. Estos ejes se eligieron así, pensando que el eje I era el de la zona de mejor resolución del ojo; y que el Q era el de menor resolución del mismo. Luego, se asigna a la señal Q un ancho de banda de 500KHz y al eje I, un ancho de banda de 1.5Mhz, finalmente para detalles más finos, se admite que el ojo no percibe color y solo resuelve brillo.

Posteriormente se descubrió que estas supuestas ventajas de I y Q sobre Cb y Cr eran inexistentes.

Para la demodulación, el sistema NTSC, podría ser demodulado sobre los ejes I y Q o sobre Cb y Cr, dependiendo de las fases con que se alimente a los demoduladores.

La frecuencia exacta de la subportadora es fsp=3.579545MHz.

El burst se trasmite, en NTSC, con fase de 180 grados.

La señal C debe ir incluida dentro del canal asignado, pero sin interferir en lo posible a la señal Y, para ello, se partió de los estudios de Mertz y Gray que observaron que el espectro de luminancia, y también el de crominancia, es discreto, esto es, la energía viene en paquetes y no diseminada en un continuo. Así, se aprovecharon los huecos, para intercalar la señal ce crominancia, a partir de elegir una frecuencia de subportadora situada entre 2 armónicos de la Y (entre 227 y 228). Además, la energía de la Y en esta zona es muy inferior a la del resto del canal, por lo cual no se produciría gran interferencia.

Ecuación fundamental de la luminancia

Recordando que la teoría de los 3 colores establece que alcanzan 3 colores primarios para definir un color dado, y además teniendo en cuenta la curva de sensibilidad del ojo, donde las abscisas correspondientes a los 3 colores primarios seleccionados, tienen como ordenadas 0.47 (rojo), 0.92 (verde) y 0.17 (azul), se podría plantear que estos fueran los coeficientes tricromaticos para obtener Y=f(R,G,B) pero esta el inconveniente que la suma de los 3 coeficientes es igual a 1.56, y para establecer un estándar de televisión se necesitan normalizar estos coeficientes de manera que se cumpla :

Vy = Kr . Vr + Kg . Vg + Kb . Vb

Con 0 < Vi < 1volt siendo Vi las tensiones de rojo ,verde, azul y luminancia.

De esta manera, para obtener la normalización, se hace que el coeficiente del rojo, Kr sea igual a la ordenada de la curva de sensibilidad (0.47) dividido la suma de las 3 ordenadas (1.56) obteniéndose Kr = 0.30 . De manera similar se obtienen Kg = 0.59 y Kb = 0.11. Esto significa que el verde es color de mayor brillo, contribuyendo a la luminancia con un 59%, el rojo lo hace con un 30% y el azul con un 11% que escrito analíticamente es:

Vy = 0.30 . Vr + 0.59 . Vg + 0.11 . Vb

Esta deducción supone una relación lineal entre brillo y su correspondiente tensión, lo cual no es del todo cierto, por lo cual existe la corrección Gamma.

Obtención de las diferencias de color

A partir de la ecuación fundamental de la luminancia, la obtención de las diferencias de color es inmediata:

Vr – Vy = 0.70 . Vr – 0.59 . Vg – 0.11 . Vb

Vg –Vy = -0.30 . Vr +0.41 . Vg – 0.11 . Vb

Vb – Vy =-0.30 . Vr –0.59 . Vg + 0.89 . V

Las señales que se trasmiten, además de Vy son Vr-Vy y Vb-Vy por lo cual se las suele definir como V y U respectivamente.

La diferencia al verde se obtiene en el receptor, a partir de U y V. Esto, analíticamente se logra de la siguiente manera:

Vy = 0.30 . Vr +0.59 . Vg + 0.11 . Vb

Vy = 0.30 . Vy +0.59 . Vy + 0.11 . Vy

Restando miembro a miembro y despejando la diferencia al verde queda:

(Vg – Vy) = -0.51. (Vr-Vy) –0.19 . (Vb-Vy)

Sobremodulación de la señal compuesta y factores de reducción

Se deduce a partir de la señal de prueba básica, con las barras de colores, que ocurre sobremodulación, tanto por arriba del pico de 1volt de la señal de luma como por debajo del nivel de sincronismo, al quererse trasmitir los colores saturados como amarillo, cian, etc.

Se hace necesario la reducción de la señal de crominancia, y como un compromiso entre sobremodulación y la degradación de relación S/N, se permitió solo un exceso de modulación de hasta 33% en ambos sentidos, teniendo en consideración que los colores totalmente saturados no se podrán reproducir y tampoco suelen aparecer en la naturaleza. A partir de este valor de 33%, se obtiene que los factores de reducción son los siguientes, obteniéndose las llamadas señales diferencia de color reducidas.

  • 0.49 para la señal de diferencia al azul, (B-Y)

  • 0.88 para la señal de diferencia al rojo, (R-Y)

Determinación de la frecuencia de la subportadora de color

En el caso del sistema NTSC, se busca un entrelazado simétrico y teniendo en cuenta que tanto la luminancia como la crominancia tiene espectros discretos con frecuencia fundamental igual a fh, entonces la frecuencia de la subportadora debe ser un numero múltiplo impar de la semifrecuencia de línea:

Así se tiene fsp=(2n+1).(fh/2)

Obteniéndose así, un desplazamiento u offset de media línea.

Esto se complementa eligiendo un n tal que la subportadora se ubique lo mas alto posible dentro del canal, sin perturbar otras señales como sonido, etc.

Con n=283 y fh=15625Hz se tiene una fsp=4.4MHz

En NTSC norma B del CCIR la frecuencia de subportadora se fijo en 4.4296875MHz.

Análisis en el circulo cromático

Dejando de lado la luminancia, se puede representar un color dentro del llamado circulo cromático por medio de un vector crominancia.

Los ejes cartesianos corresponden a: la diferencia al azul, para el eje de abscisas y la diferencia al rojo para el eje de ordenadas.

Entonces, el matiz vendrá dado por el ángulo formado por el vector respecto del semieje positivo (B-Y) y la saturación dependerá del modulo (longitud) de dicho vector. O sea, para pasar de diferencias de color a matiz y saturación, resulta igual que pasar de coordenadas cartesianas a polares.

En realidad la longitud del vector depende de la saturación y brillo.

Se ha establecido que la señal de crominancia esta compuesta por 2 señales diferencia de color azul y rojo que complementan a la señal de luminancia para caracterizar totalmente una imagen (brillo + colores). La señal diferencia al azul se suele denotar U y en el gráfico de circulo cromático se representa con el eje de abscisas. La señal diferencia al rojo se simboliza con V y en el mismo gráfico anterior, se representa con el eje de ordenadas.

Interesa conocer la expresión de las señales U y V en función de las 3 componentes de señal o tensiones de rojo, verde y azul. Para conseguir esto, se parte de la ecuación fundamental de la luminancia y se opera algebraicamente hacia la diferencia de la tensión de rojo menos la luminancia en función de los 3 primarios. Lo mismo se hace con el azul. Lo que resulta en:

Calculo de U y V para el amarillo saturado

En este caso se tiene, que el amarillo se forma con un volt de tensión de rojo y un volt de tensión de verde, además de 0 volt de azul. Entonces:

Calculo para los demás colores

En el caso del negro, lo que se tiene es la ausencia completa de tensiones.

En el caso del blanco se tiene que cada una de las tensiones de colores es igual a 1v. La luminancia es 1v y las diferencias U y V valen 0v (condición de compatibilidad) es decir que con el blanco se tiene luma pero no Croma.

Con respecto al verde, se pueden realizar los mismos cálculos, obteniéndose un factor de pureza, r =0.84 y un ángulo de fase de 225 grados.

Para el cian, las cuentas dan r =0.77 y ángulo de fase de 293 grados.

Lo mismo se puede hacer para los 3 colores que faltan: rojo, azul y magenta, pero observando que estos 3 colores que faltan son los complementarios de cian, amarillo y verde, se puede concluir (y también calcular) que tienen igual modulo (saturación) y un ángulo de desfase de 180 grados(matiz), quedando entonces que el rojo tiene r =0.77 y fase=113grados; el azul tiene r =0.90 y fase=7grados y finalmente el magenta o púrpura un modulo de 0.84 y una fase de 45grados.

Tabla de valores de la señal barra de prueba

color

R

G

B

Y

(R-Y)

(B-Y)

r

Ψ(grados)

Blanco

1

1

1

1

0

0

0

0

Amarillo

1

1

0

0.89

0.11

-0.89

0.89

173.36

Cian

0

1

1

0.70

-0.70

0.30

0.76

293.21

Verde

0

1

0

0.59

-0.59

-0.59

0.83

225

Magenta

1

0

1

0.41

0.59

0.59

0.83

45

Rojo

1

0

0

0.30

0.70

-0.30

0.76

113.21

Azul

0

0

1

0.11

-0.11

0.89

0.89

353.36

Negro

0

0

0

0

0

0

0

0

Señales diferencia de color reducidas

Para la mejor solución, las investigaciones arrojaron el resultado que el valor mas favorable de sobremodulación permisible era del 33% sobre el nivel del negro. Como Uyrojo=0.30 y Uyazul=0.11 para llegar a una sobre modulación del 33% debe ser Ucrojo=-0.63 y Ucazul=-0.44. Sean los factores de corrección ku y kv entonces:

resolviendo las ecuaciones cuadráticas se obtiene que ku=0.49 y kv=0.88.

grafico de los espectros de I y Q dentro del canal de televisión

Obtención de la relación entre las coordenadas IQ y las VU

El vector C representa un color genérico, cuyas coordenadas serán (Uc,Vc) o (Qc,Ic) según el sistema de ejes que se considere. También considerar que el ángulo formado entre los ejes U y Q es igual a α.

La relación entre las coordenadas UV y QI vendar dada por la rotación de un ángulo α, lo que algebraicamente se expresa por la matriz de rotación:

Entonces, a través de la matriz inversa se tiene la relación entre las coordenadas IQ y las VU, que para el ángulo de rotación de 33% (sistema NTSC) queda:

I=(-sen33°).U+(cos33°).V

Q=(cos33°).U+( sen33°).V

Pero todavía resta corregir las diferencias de color, para que no haya sobremodulación, para ello se debe multiplicar la diferencia al azul por 0.49 y la diferencia al rojo por 0.88, quedando en definitiva:

I=(-0.27).U+(0.74).V

Q=(0.41).U+(0.48).V

Autor: Ing. Roberto Gabriel Bosco

 

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