Análisis De La Señal De Video Compuesta.pdf 5pn22

ANALISIS DE LA SEÑAL DE VIDEO COMPUESTA Carlos García Quiroz

Toda persona que da servicio a televisores, videograbadoras o cámaras de video, sabe que la señal a partir de la cual se obtiene toda la información necesaria para que se reproduzca la imagen con su respectivo audio, es la señal de video compuesta. En este artículo haremos una descripción teórica de cómo se obtiene y cuáles son sus componentes, enfatizando aspectos como la forma en que se combinan las señales indispensables para reconstruir en el punto de recepción una imagen idéntica a la original. Además, se describe una prestación adicional que se ha integrado en la mayoría de los televisores modernos: el close caption. 54

ELECTRONICA y servicio

Qué es la señal de video compuesta El componente fundamental en todo proceso de televisión, es una señal eléctrica en la que se codifican las imágenes y su correspondiente sonido. A esta señal eléctrica con información de video y audio se le llama “señal de video compuesta” (o video compuesto). Dicha señal, incluye la información necesaria para reproducir en el punto de recepción, las imágenes y el sonido enviados desde el punto emisor. Sus componentes básicos son (figura 1): 1) Señal de luminancia o información en blanco y negro (Y). 2) Señal de crominancia o información en color (C). 3) Sincronía para la recuperación de las imágenes enviadas (Sync). 4) El audio asociado a la imagen. Tales señales deben combinarse de tal manera que no se interfieran entre sí, pero al mismo tiempo que no ocupen un ancho de banda considerable, ya que en tal caso se reduciría el número

Figura 1

La cámara de video "codifica " las imágenes en una señal eléctrica, la cual contiene información de blanco y negro (Y) , de color (C) y de sincronía (Sync). Señal Y

Señal C Amp.

Sync

MOD FM 4.5 Mhz

El audio se obtiene por separado Señal Y (luminancia) AM Amp

Audio (FM)

Frec. (Mhz) 3.58 4.25 4.5 Señal C (croma) PM + AM

de canales que se pueden manejar en el espectro electromagnético.

Estructura de una imagen de video En el sistema NTSC, adoptado por los Estados Unidos a finales de la década de los 40’s, cada imagen se divide en 525 líneas, exploradas de izquierda a derecha. Estas líneas se suceden con tal rapidez, que se forman 30 imágenes completas por segundo; sin embargo, como tal frecuencia aún puede ser apreciada por el ojo humano, se recurrió a un truco muy interesante: se dividió cada imagen en un campo de líneas pares y en otro de líneas impares, enviándose por separado aunque de manera alternada; de este modo, en

un momento dado se expiden tal sólo las líneas pares y en el siguiente sólo las impares. Gracias a este recurso, se pudo elevar la cantidad de imágenes presentadas por segundo al doble (60 “medios cuadros” por segundo), evitando así el parpadeo que se suscita con una frecuencia de 30 cuadros por segundo. A este sistema se le denomina “exploración entrelazada”. En la exploración entrelazada, a las imágenes completas se les conoce con el nombre de “cuadros” (frames), formados a su vez por dos campos (fields), como se muestra en la figura 2. El recorrido se realiza de izquierda a derecha, de arriba hacia abajo. Y como la frecuencia de barrido de un campo es de 60 Hz, la frecuencia horizontal de recorrido es de 262.5 x 60 = 15,750 Hz.

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Figura 2

Primer retorno vertical

Líneas pares en el trazo del segundo campo

Primer campo 262 1/2 líneas

Segundo retorno vertical

Líneas pares

Líneas impares en el trazo del primer campo

Líneas impares

Cada imagen o cuadro se toma con dos campos. En este ejemplo aparecen corridas las líneas de los campos para distingirlas.

Segundo campo 262 1/2 líneas

Entrelazando las líneas de los dos campos, surge una imagen sin parpadeo.

Cuadro = 525 líneas

En el formato NTSC, 30 cuadros sucesivos forman un segundo de imágenes animadas. A su vez, cada cuadro se forma por el entrelazado de dos campos, uno de líneas impares y otro de líneas pares. El entrelazado fue un recurso que se utilizó para aumentar la frecuencia de barrido vertical sin modificar la del barrido horizontal.

Parámetros de la señal de video compuesta Al conjunto de frecuencias asignadas a una estación de televisión para que transmita sus señales, se le llama “canal”. En Estados Unidos, el organismo regulador de las comunicaciones, la FCC (Comisión Federal de Comunicaciones), asignó un ancho de banda de 6 MHz a cada canal de televisión comercial, ya sea VHF-L, VHF-H, UHF, CATV, etc. (figura 3). La transmisión radial se efectúa en forma de dos ondas portadoras de

radio-frecuencia, moduladas de la siguiente manera: • Señal de imagen: modulación por amplitud (AM). • Señal de audio: modulación por frecuencia (FM). Para ahorrar aún más espacio en el ancho de banda, las transmisiones de TV emplean un método de transmisión conocido como “transmisión por banda residual”, la cual tiene como característica principal que tan sólo se envía com-

60 Mhz

Frecuencia actual para el canal 2 54 Mhz

Portadora de audio

50 Khz

Señales portadoras dentro de un canal estándar de 6 Mhz

Frecuencia de portadora de imagen

4.25 -1.25

0

4.0 Mhz 4.5 Mhz

4.5

4.75

4.0 Mhz

6 Mhz ancho del canal 0.25 Mhz

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Figura 3

pleta una de las bandas laterales que rodean a la frecuencia moduladora, mientras que la banda simétrica se recorta en una frecuencia relativa-mente baja. En el caso de las transmisiones de TV, considerando la frecuencia de modulación como punto de partida, la banda residual se extiende hasta 1.25 MHz por debajo de esta moduladora, mientras que la información de video se extiende hasta un límite superior de 4.25 por encima de la misma. Por lo que se refiere al componente de audio, se transmite como una modulación FM y con una desviación de frecuencia pico de 25 KHz, quedando centrada 4.5 MHz por encima de la portadora de video.

Teoría básica del color Antes de hacer el análisis de la señal de video compuesta correspondiente a la televisión cromática, conviene examinar brevemente algunas de las propiedades del color y de la mezcla de

colores. Para empezar, recordemos que el color es una forma de la luz, y la luz es una forma de energía radiante que viaja en forma de ondas electromagnéticas. Otras formas de esta energía son las ondas de radio, los rayos infrarrojos, los rayos ultravioleta, los rayos X, etc. (figura 3). Estas formas de energía radiante se parecen entre sí en un aspecto: viajan en el aire a un promedio aproximado de 300 mil kilómetros por segundo. Pero difieren en longitud de onda y frecuencia; esto es: l = c/f Donde: l = Longitud de onda (en metros) c = 300 mil (Km por segundo) f = Frecuencia (Hz, ciclos por segundo) En la figura 4 se observa que entre el rango de los rayos ultravioleta y el de los rayos infra-

Luz visible y color Long. de onda

Longitud de onda (mm) 350

˚ 1A 1 nm

400

Rayos X

450

10 nm Rayos ultravioleta

500

100 nm Luz visible

550

1u

Violeta Azul Cyan Verde Amarillo

600

10 u Frecuencia

Tipos de onda electromagnética y longitudes de onda

Naranja

Rayos infrarrojos 100 u

650

300 Ghz 700

1 mm 30 Ghz

750

1 cm 10 cm UHF

300 Mhz 1m

VHF

30 Mhz 10 m

HF

30 Khz

1 Km 10 Km

800

1 (nm) Nanómetro = 1 (mu) Milimicra

100 m MF

300 Khz

Ondad de radio

SHF

3 Ghz

3 Mhz

Rojo

EHF

LF

= 1 x 10-9 (m) Metros

˚ Angstrom = 10 (A)

Figura 4

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rrojos existe una pequeña área cuya longitud de onda va de los 400 nanómetros (límite ultravioleta) hasta aproximadamente 780 nm (límite del infrarrojo). Esta porción del espectro radiante es precisamente lo que conocemos como luz visible. Por lo tanto, podemos afirmar que “la luz es una porción del espectro electromagnético, visible al ojo humano”.

Mezcla sustractiva de color

Clasificación de los colores

Características de los colores

Aditivos primarios

Para definir los colores, se utilizan tres características:

Toda la gama de tonalidades visibles que transmite la televisión en color, es posible gracias a sus propiedades de mezcla a partir de tres colores fundamentales: rojo, verde y azul, de cuyas diferentes combinaciones se derivan tres colores más (figura 5). Para la colorimetría aditiva, como se conoce a dicho proceso, estos tres colores brindan un rango más completo, ya que modificando proporcionalmente los niveles de los colores primarios se puede representar prácticamente a todos los demás colores del espectro visible.

Sustractivos primarios En el caso de la reproducción del color por pigmentos, tintas y transparencias fotográficas, el amarillo, el cyan y el magenta son los colores primarios, en cuyo caso se combinan por mezcla sustractiva. A estos colores se les conoce como sustractivos, porque por absorción sustraen las longitudes de onda indeseables de la luz blanca (figura 6).

Figura 6 Magenta Azul

Rojo Negro

Cyan

Verde

Amarillo

Fase de color (tono) Se refiere a la tonalidad de los colores: rojo, azul, amarillo, etc.

Saturación (color) Es el grado de atenuación que experimenta cada color al ser combinado con el blanco.

Brillantez (brillo) Es el grado de iluminación en los colores. De manera tridimensional, en la figura 7 se muestra la relación entre estas características.

Verde Cyan

Hue Amarillo

Azul

Blanco

Rojo

Magenta

Mezcla aditiva de color

Densidad o saturación de color

Rojo

Amarillo R YL

Magenta MG Blanco

W G CY

Grado de luminancia

B

Verde

Azul Cyan

Figura 5

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Negro

Figura 7

Figura 8

Cámara de color Sincronismo Tubo o CCD

Tubo o CCD

Tubo o CCD

G

Y= 0.30R + 0.596 + 0.11b

Amp.

Tx

Amp.

Señal de TV color

B

Modulador balanceado

Espejo dicroico Sustr. de color

R-Y

0-500 Khz desplaz. 90˚

Filtro Sustr.de color Subportadora de color

Amp.

R

B-Y

0-500 Khz

Señal portadora del color

Modulador balanceado

Fs = 3.579545 Mhz 180˚ Burst de color

Gen. de Burst Desplazamiento de fase

Señales de TV color En televisión, las señales de los colores primarios rojo, verde y azul no son transmitidas en su forma original, sino que son transformadas en las señales de luminancia (Y), que equivale a brillantez o información en blanco y negro, y crominancia (C), que equivale al color y a las diferencias de color. Cuando dichas señales se reciben en un receptor cromático, las imágenes pueden reproducirse en color gracias a que las señales de luminancia y de diferencia de color son transformadas en las señales de los colores primarios rojo, verde y azul captados originalmente por la cámara de video. En la figura 8 se muestra el diagrama de flujo de un sistema para la transmisión de las imágenes NTSC.

Señal de luminancia En la TV blanco y negro, el sistema está construido para que el tubo de captación de imagen tenga la misma sensibilidad espectral de la vista humana. Por consiguiente, se podría decir que las señales de la TV en blanco y negro expresan

en forma relativa el grado de luminancia de una variedad de colores (figura 9). Si en la cámara se mezclan las tres salidas de cada CCD (Dispositivo de Carga Acoplada) con las proporciones 30, 59 y 11% de rojo, verde y azul respectivamente, se puede obtener la misma característica espectral de la TV en blanco y negro, así como la señal de luminancia (Y). Vea nuevamente la figura 8.

Señales de diferencia de color En las señales de TV color, además de la señal de luminancia (Y) se requieren las señales que

Cámara

Sistema de transmisión

Sensibilidad relativa Longitud de onda (nm)

400

700

Figura 9

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Señal de luminancia

Circuito matrix 0.3 R + 0.59 G + 0.11 B

Matrizado en el transmisor

Lente

Y

Figura 10

Señal de diferencia de color

Rojo

R-Y

Objeto Verde

MATRIX

G-Y

B-Y

Azul Señal de diferencia de color Tubos de cámara o CCD

Y

Matrizado en el receptor

R-Y

Matrix G-Y B-Y

contienen la información de la saturación y el tono del color transmitido, mismas que se obtienen de las señales de diferencia de color R-Y y B-Y (que como vimos en la figura 8, son las que se mezclan con la luminancia para su transmisión); esto significa que en el receptor, para recuperar los colores primarios es necesario recuperar la información G-Y y a las tres señales sumarles el componente de luminancia (Y). De hecho, la información sobre la tonalidad cromática (hue) y la información sobre la saturación (color) pueden transmitirse al variar los valores de las diferencias de color. La relación entre la señal de luminancia y la señal de diferencia de color, se puede expresar como: Y = 0.30R + 0.59G + 0.11B R-Y = 0.70R - 0.59G - 0.11B B-Y = -0.30R - 0.59G + 0.89B G-Y = -0.30R + 0.41G - 0.11B Aunque en el equipo receptor de imagen se necesita la señal G-Y, ésta no se transmite junto a las otras, sino que se obtiene a partir de las señales R-Y/B-Y; por eso es que el proceso de matrización se ejecuta tanto en el transmisor co-

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Matrix

R

Matrix

G

Matrix

B

mo en el receptor, como se puede observar en la figura 10.

Señal de sincronización Esta señal se analiza en dos partes: a) Sincronización horizontal. En la forma de onda de la señal de TV, la sincronía se ubica dentro del período de borrado (blanking) horizontal. Vea la figura 11. b) Sincronización vertical En la figura 12, se muestra de forma amplificada el borrado (blanking) vertical.

Señal de video

Blanking horizontal

Pórtico frontal

Sync

Pórtico trasero

Figura 11

Figura 12 A

Blanking vertical Pulsos de sincronismo vertical

Sincronía horizontal

Pulsos ecualizadores

Pulsos de aserración

Por otra parte, el intervalo de sincronía vertical está formado por seis pulsos anchos, separados por angostas hendiduras. Estos pulsos se repiten con el doble de frecuencia que la sincronía horizontal, y se les denomina “aserraciones”. En la parte anterior y posterior de la sincronía vertical se producen en conjunto seis pulsos angostos de la misma frecuencia que las “aserraciones”, a los que se les denomina “pulsos de ecualización”. Estos pulsos tienen la función de mantener estable el intervalo horizontal del equipo receptor de imagen durante el tiempo de borrado vertical, y lo mismo podemos decir de las “aserraciones”. La razón de que las frecuencias de los pulsos de ecualización y las frecuencias de la sincronía vertical sean el doble de las de la frecuencia horizontal, es que de esa manera se logra, sin problemas de pérdida de sincronía vertical, la expedición de imágenes como campos entrelazados.

Sincronía horizontal

Pulsos ecualizadores

Señal de burst La información de los colores se transmite a través de las señales portadoras de video de color. Sin embargo, dentro de la portadora no se transmite la subportadora de color, sino solamente la banda lateral que contiene la información sobre los colores. Por consiguiente, es necesario que en el receptor se elabore la onda subportadora de color, para que ésta se utilice para demodular los colores; y hay que garantizar que dicha oscilación local coincida en frecuencia y en fase con la que se suprimió en el transmisor; por eso es que se transmiten 9 ciclos de la onda subportadora de color, para mantener correctamente la frecuencia y la fase en el receptor. A esta señal de sincronización de color conocida como burst o ráfaga de color, se le localiza en el “pórtico

La forma de onda portadora de color (plano amplificado de 3.558 Mhz) C

R-Y

Señal portadora de color (Composición de R-Y y B-Y)

Señal portadora de color B-Y Amplitud

Como ya se dijo, la señal de color está conformada por las bandas subportadoras de crominancia (3.58 MHz) moduladas, compuestas por la suma vectorial de las dos señales de diferencia de color, mismas que se transmiten con la misma frecuencia y con una diferencia de fase de 90º. En la figura 13 se muestran la señal de crominancia (C, línea continua) y las señales de diferencia de color R-Y/B-Y moduladas (líneas punteadas).

Tiempo ø

90˚ 1/3.58 µseg

Figura 13

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Figura 14

Burst

a la 21 se podrían aprovechar para transmitir información adicional (en el formato NTSC convencional se envían en blanking). Algunas de las señales que ocupan el intervalo de borrado vertical son:

Señales de prueba para transmisión Pórtico Frontal

Sync

• VITS (Vertical Interval Test): líneas 17 y 18. • VIRS (Vertical Interval Reference): línea 19.

Pórtico trasero

Blanking horizontal

Señal de código de tiempo • VITC (Vertical Interval Time Code): líneas 12 y 15. • Señal close caption.

trasero” (back porch), como se muestra en la figura 14.

Señal de video compuesta Finalmente, podemos establecer que la señal de video compuesta es la que combina la información de luminancia, crominancia, sincronización y burst y se representa como se muestra en la figura 15.

Otros usos del intervalo de borrado vertical Dentro del tiempo de borrado (blanking) vertical, precisamente después de los pulsos de ecualización y aserraciones, se envían diferentes informaciones a través de las líneas que quedan libres; si sabemos que el pulso de sincronía vertical (contando sus pulsos ecualizadores) ocupa un tiempo de 9H (líneas horizontales), y también sabemos que durante su trayecto hacia arriba el haz electrónico ocupa el tiempo equivalente a otras 12 líneas horizontales, tenemos que la amplitud total del pulso de sincronía vertical es de 21 líneas horizontales, de las cuales de la 10

Las señales de la televisión de color

Close caption El close caption, es una porción de la señal de video compuesto mediante la cual se agregan subtítulos en la parte inferior de la imagen. Dichos subtítulos no aparecen normalmente en la imagen, sino que la función tiene que ser invocada específicamente por el , y solamente es posible hacerlo en televisores que cuenten con esa prestación. El close caption se utiliza para presentar por escrito los parlamentos de los actores de la programación, la narración del locutor, etc. En Estados Unidos está opción es muy utilizada por las televisoras, a fin de que las personas con discapacidades auditivas puedan ver los programas de TV. Otro tipo de audiencia utiliza el subtitulaje para aprender el inglés como un segundo idioma. Para hacer uso de esta opción, se necesita un proceso adicional mediante el que se introduce digitalmente la información de los subtítulos en la línea 21 del pulso de sincronía vertical (figura 16).

Componentes de la señal portadora de color de 3.58 Mhz

Menor croma Mayor croma Sincronía horizontal

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Burst 3.58 Mhz

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Figura 15

Blanking level 100 50

Program color burst

Figura 16 7 cycles of 0.503 Mhz (Clock run IN) Two - 7bit + paryty ascii caracter (DATA)

Ire Units

25 20 0

33.764 uS (0.53H)

12.910 uS (0.20H)

-20

3.972uS (0.06H)

-40

27.452 uS (0.43H) 51.268 uS

10.074 uS (0.16H)

61.342 uS (0.965H)

El sistema de subtitulaje aparece generalmente en la parte más baja de la pantalla de televisión, y en proporción al tamaño de ésta varía el tamaño de los caracteres desplegados; típicamente, son letras blancas sobre un fondo negro, que no obstruyen partes esenciales de la imagen (figura 17). El subtitulaje puede ser anexado en tiempo real a un programa en vivo o anexado más tarde como parte del proceso de postproducción o distribución. Cabe mencionar que la tecnología del subtitulaje en televisión fue desarrollada por el Servicio Público de Radiodifusión (PBS) durante 19731979, con el soporte del gobierno federal de Estados Unidos. Las transmisiones de prueba de campo fueron dirigidas sobre todos a los aspec-

tos de generación de subtitulaje, codificación, decodificación y características en el display. En cuanto al formato del display, el sistema de subtitulaje en la línea 21 tiene dos canales independientes: C1 y C2, cada uno de los cuales contiene un subcanal de subtitulaje y un subcanal de texto. En la mayor parte de la programación, los datos del subtitulaje son llevados en el canal 1; el canal 2 se deja disponible para otras aplicaciones, tales como los datos de subtitulaje en otro idioma. El “display” del subtitulaje en la pantalla del televisor, consiste en 15 filas de 32 caracteres cada una (figura 18). Mediante un interruptor colocado en el decodificador, el puede seleccionar subtitulajes o texto.

First line of row 43 56 69 82 95 108 121 134 147 160 173

Espero no tarde

186 199 212 225 238

Figura 17

X

Text

X ROW 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Captions

10 11 12 13 14 15

Captions

Figura 18

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