Teoría de la señal de televisión

Electrónica. Imagen. Televisión. Líneas del televisor. Frecuencia de campo. Componentes de señal de televisión. Impulso de borrado vertical. Corrección de gamma

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TEORÍA DE LA SEÑAL DE TV

1. PARÁMETROS DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN

  • Los Comienzos De La TV: Algunos Datos Sobre El Sistema Visual Humano

  • La televisión, como cualquier aparato eléctrico no tiene una precisión infinita, es decir, no tiene infinitas líneas ni ofrece un número de imágenes por segundo infinito, porque es imposible y porque no merece la pena obtener tanta precisión, ya que el hombre no la percibe.

    Por esto, al crear la televisión, fueron estudiados los 'defectos' de la visión humana para aprovecharse de ellos y hacer una señal de televisión solamente lo precisa que fuera necesario para que el ojo no notara errores.

    El conocimiento de ambas limitaciones derivó en la imposición de unos mínimos de calidad sobre los que más tarde se produjeron modificaciones.

    El ojo realiza…

    • Mezcla aditiva espacial. Agudeza visual:

    El ojo no tiene infinitos sensores por lo que si dos puntos se encuentran muy próximos entre sí el cerebro entiende que solo se visualiza un punto (excitan el mismo sensor).

    La agudeza visual es de un minuto de grado: dos puntos observados desde el centro del cristalino con un ángulo inferior a este no serán diferenciados.

    La mezcla aditiva espacial impuso el mínimo número de líneas en que se podía dividir cada cuadro, de tal manera que no notáramos líneas o rejilla, sino una imagen completa.

    • Mezcla aditiva temporal. Memoria visual:

    La respuesta del ojo es muy rápida, pero al suprimir la excitación, permanece la sensación luminosa durante aproximadamente 50 ms (tarda en olvidarse de la excitación). Si se proporcionan dos impulsos muy próximos en el tiempo, el ojo integrará los dos impulsos en diferentes instantes de tiempo como uno continuo, es decir, los aprecia seguidos.

    La mezcla aditiva temporal impuso el mínimo número de cuadros por segundo que había que enviar para que no tuviéramos sensación de parpadeo, para que percibiéramos una señal de video conti.nua y no un conjunto de diapositivas.

  • Elección De La Frecuencia De Cuadro

  • Los parámetros mínimos obtenidos de la observación del comportamiento visual humano, así como las necesidades que iban surgiendo derivaron en la obtención de los parámetros finales de la televisión.

  • Valor mínimo de la frecuencia de cuadro.

  • Para obtener la frecuencia final de cuadro, es decir, cuántos cuadros se emiten por segundo, se partió del número obtenido para que los cuadros sean percibidos como continuos basados en la mezcla aditiva temporal del ojo.

    Dado que nuestra memoria visual es de 50 ms, un cuadro tiene que estar separado de otro, en tiempo, 50 ms o menos para que no veamos parpadeo.

    Estos nos da un número mínimo de cuadros por segundo.

    f crítica = 1/50 ·10-3 = 20 Hz ð 20 cuadros por segundo, al menos!!

    En el cine se tomó 24 fotogramas por segundo.

  • Valor adoptado de frecuencia de cuadro debido a la influencia de la red.

  • Para TV no se tomó la misma porque la utilización de la frecuencia de la red (la del enchufe) era muy útil para sincronizar aparatos e incluso para labores de sincronía interna del receptor(por entonces, ahora no hubiera sido necesario), por lo que se tomó un valor que fuera divisor de la frecuencia de la red.

    • La señal en la red eléctrica europea tiene 50 Hz, por lo que adoptaron una frecuencia de cuadro de 25 imágenes /segundo

    • La señal en la red eléctrica americana tiene 60 Hz, por lo que adoptaron una frecuencia de cuadro de 30 imágenes /segundo. Esta señal es más difícil de adaptar al cine y viceversa.

    Esto es lo que motivó la primera diferencia entre los sistemas de Tv americanos y europeos.

  • El problema del parpadeo.

  • El ojo es muy sensible al brillo, y es más sensible, cuanto más aumenta el brillo, esto deriva en que la sensación de parpadeo sea mayor para imágenes con mucho brillo.

    En un cine el problema es menor porque como está a oscuras, aunque haya menos brillo lo vemos bien, pero en la TV las imágenes tienen más brillo, por lo que se tuvo que aumentar el número de imágenes por segundo para no detectar parpadeo

    Solución al parpadeo:

    • En el Cine: se pone 2 veces el mismo fotograma

    • En la TV: se adoptó el sistema de exploración entrelazada.

    La idea inicial era la de doblar el número de imágenes por segundo, a 50 imágenes /s, pero esta solución no era factible ya que al aumentar el número de imágenes por segundo, la circuitería tenía que trabajar más rápido, lo que se traduciría en receptores más caros y aún así poco precisos en los inicios, por lo que se buscó otra solución.

    Se optó por explorar primero las líneas impares de cada cuadro y luego las pares, obteniéndose 50 semiimágenes /s. Aunque estamos bajando el número de líneas a un número muy por debajo del mínimo, el ojo no lo nota, ya que la colocación de un campo respecto al siguiente es de forma entrelazada, seguimos percibiendo las mismas líneas por cuadro debido a la velocidad.

    Por lo que todos los sistemas de TV dividen la información de tal forma que:

    1 cuadro = campo par + campo impar

    Campo: cada semiimagen (field)

    Cuadro: imagen completa (frame)

  • Elección Del Número De Líneas Final

  • Al igual que con el cálculo de la frecuencia de cuadro, la elección del número de líneas por cuadro también sufrió un proceso de cambios que derivó en el número final de cada sistema de Tv, nosotros vamos a analizar el valor de nuestro sistema de televisión PAL, 625 líneas.

  • Valor mínimo del número de líneas por cuadro.

  • Lo primero que se buscó fue el mínimo de líneas que hacían falta para que el ojo no vea líneas sino una imagen continua. Se halló teniendo en cuenta la agudeza visual de 1 grado y la distancia media espectador-pantalla.

    El resultado es un mínimo de 515 líneas

  • Necesidad de un número impar de líneas

  • El número de líneas por cuadro tiene que ser un número impar.

    Esta necesidad es consecuencia del funcionamiento del receptor: el receptor maneja una señal interna tipo diente de sierra, cuya tensión indica al cañón de electrones la altura a la que tiene que `apuntar', es decir, es una señal cuya tensión es traducida a `qué línea le toca en altura' en la pantalla, de tal manera que en los momentos de máxima tensión, el cañón entenderá que debe apuntar a la parte más alta de la pantalla; en los momentos de mínima tensión, apunta a la parte más baja de la pantalla (última línea visible), y lo mismo para los demás valores de tensión, que son traducidos a distintos valores intermedios de altura en la pantalla.

    Para entender cual es el problema, planteamos el caso de un sistema con un número par de líneas…

    • Número de línea par

    Para este tipo de disposición de líneas, tenemos que un campo comienza arriba del todo en el televisor, pero no acaba al final del todo, al contrario que el siguiente campo, en el que la primera línea no está arriba del todo, pero la última si ocupa la posición última de la pantalla.

    La señal en diente de sierra empleada en el barrido vertical es desigual (rara) y por lo tanto no se consigue fácilmente.

    · Disposición de los campos

    Supongamos un hipotético sistema que tiene un total de 8 líneas por cuadro (número par),

    Repartidas en dos campos de 4 cada uno.

    Campo impar:

    Campo par:

    · Señal de barrido

    A

    C

    Como se ve, la tensión del punto `A' corresponde a la necesaria para que el cañón apunte a la primera línea de la pantalla (caso que ocurre en el campo impar), la tensión va disminuyendo según va recorriendo las líneas, llegando al punto `B', que corresponde a la posición de la última línea del campo impar, pero que no es la última de la pantalla. De nuevo vamos a un máximo de tensión para comenzar a pintar al campo par, pero esta vez el pico sube menos ya que el campo no comienza en la primera línea de la pantalla sino debajo (para que se entrelacen los campos), lo que corresponde a una tensión `C', menor que `A', y por último, una vez completado el campo impar llegamos a la posición `D' de tensión, que lleva al cañón a la última posición de la pantalla, por lo tanto tiene que ser una tensión menor que la utilizada en `B'.

    • Número de línea impar

    Para una disposición de líneas de este tipo, tenemos que un campo comienza arriba del todo en el televisor, y acaba al final del todo, de igual forma que el siguiente campo, en el que la primera línea está arriba del todo, y la última ocupa también la posición última de la pantalla.

    La señal en diente de sierra empleada en el barrido vertical es simétrica y por lo muy sencilla de obtener de un oscilador corriente.

    · Disposición de los campos

    Supongamos un hipotético sistema que tiene un total de 9 líneas por cuadro (número par),

    Repartidas en dos campos de 4'5 cada uno.

    Campo impar:

    Campo par:

    · Señal de barrido

    A

    C

    Ahora se obtiene una señal simétrica, la tensión del punto `A' corresponde a la necesaria para que el cañón apunte a la primera línea de la pantalla, la tensión va disminuyendo según va recorriendo las líneas, llegando al punto `B', que corresponde a la posición de la última línea de la pantalla. De nuevo vamos a un máximo de tensión para comenzar a pintar el siguiente campo, que también comienza en la primera línea de la pantalla, lo que corresponde a una tensión `C', y por último, una vez completado el campo llegamos a la posición `D' de tensión, que lleva al cañón a la última posición de la pantalla, por lo tanto tiene que ser una tensión igual que la utilizada en `B'.

  • Necesidad de algunas líneas de más sobrantes.

  • Necesitamos algunas líneas más, que realmente quedan ocultas. Estas líneas irán en negro y son necesarias para ocupar el tiempo que tarda el receptor en estabilizar sus señales, algo que se analizará más adelante.

  • Necesidad de relación numérica entre frecuencia de línea y de campo.

  • La frecuencia de línea ha de ser múltiplo de la de campo para obtenerlas ambas del mismo oscilador.

    Valor idóneo 625 líneas

    Frecuencia de línea = 625 · 25 = 15625 Hz Periodo de línea = 64 ðs.

    2. COMPONENTES DE LA SEÑAL DE TELEVISIÓN

  • Introducción

  • La señal de vídeo completa se compone de:

    • Señal de vídeo propiamente dicha, la señal que corresponde a la imagen.

    El vídeo, fruto de la exploración de los puntos de la imagen captada por la cámara, es una señal, una tensión cuyo valor representa los cambios de brillos, de tal manera que se envía distintas tensiones para los distintos valores de brillo desde el blanco al negro, pasando por todos los grises.

    • Los impulso de borrado horizontal y vertical que contienen los sincronismos horizontal y vertical.

    No nos basta sólo con enviar las informaciones de brillos de todos los puntos, sino que tenemos que enviar al receptor otras informaciones que rijan la disposición de los puntos en la pantalla, es decir, hay que indicarle qué información corresponde a qué línea, y a qué campo, para que pinte todo en su sitio.

  • Distinción De Los Sincronismos

  • ¿Cómo sabe el receptor que lo que le llega es una información para sincronizar y no información de vídeo?

    Los impulsos de sincronismo son parte de la señal que llega al receptor, es decir, viene junto con el vídeo y de la misma forma, también son tensiones, por lo que necesitamos algo que los diferencie de las informaciones de brillo.

    Para diferenciarlos se les ha asignado un valor de tensión fuera del margen de vídeo, en una zona de tensiones llamada `zona de ultranegro'.

    Aunque la lógica nos dice que en los momentos en que se transmite un punto en blanco sería cuando tendríamos que recibir más tensión, en realidad es al contrario, cuando llega un punto en negro es cuando recibimos la máxima tensión de vídeo, por lo que un nivel de ultranegro corresponde a un nivel por encima del negro, fuera del margen de tensiones de vídeo.

    Los sincronismos son 'separados' del resto de la señal por circuitos que recortan desde el nivel de negro hacia arriba, y tratados por circuitería aparte en el televisor.

  • Impulso De Borrado HORIZONTAL

    • DEF: Es un impulso que informa al receptor que la línea ha finalizado.

    • DURACIÓN: ocupa 12 ðs de los 64 ðs que dura la línea.

    • DESCRIPCIÓN:

    El impulso de borrado horizontal se compone de tres partes:

    1. Pórtico anterior:

    · Duración: 1,5 ðs

    · Situación: antes del impulso de sincronismo

    · ¿Qué es?: un nivel de negro que se transmite al final de la línea de vídeo.

    · ¿Para qué vale?:

    Se encontraron con un problema, llamado el `tirón de blancos', debido a que las líneas de vídeos acababan en puntos con brillos distintos.

    Si la línea finalizaba en blanco, se tardaba más en alcanzar al nivel del sincronismo, ya que el cambio de tensión de blanco a ultranegro es más lento que, por ejemplo de negro a ultranegro, que era demasiado rápido.

    Esto provocaba un comportamiento diferente según en que nivel acabara la línea, para evitar que el impulso de sincronismo fuera recuperado en distintos momentos, se decidió forzar a que la línea acabara siempre en negro.

    Evita que al receptor le lleguen los impulsos de forma no periódica.

    2. Impulso de sincronismo horizontal:

    · Duración:4,7 ðs.

    A pesar de que la información principal está en el primer flanco, se sacrifica tiempo para asegurar que llega al otro extremo del canal.

    · ¿Qué es?:

    Un nivel de ultranegro. Se elige un nivel de tensión distinto a

    los de la señal de video para que el receptor lo distinga.

    · ¿Para qué vale? :

    Es el que realmente provoca el salto a la siguiente línea.

    3. Pórtico posterior

    · Duración: 5,8 ðs

    · Situación: tras el impulso de sincronismo

    · ¿Qué es?: un nivel de negro ocultado por la parte izquierda de la pantalla.

    · ¿Para qué vale?:

    Existen una serie de señales internas del receptor (que se generan dentro) que controlan la perfecta reproducción de la señal de Tv. Una de estas señales es la señal de barrido horizontal, señal tipo diente de sierra que controla la velocidad de barrido de cada línea.

    Señal de barrido horizontal.

    El tiempo de subida de cada diente es el tiempo que tarda en pintar una línea.

    El pórtico posterior obliga a permanecer en nivel de negro (no es visible este trozo) mientras el diente de sierra se estabiliza.

    Tras detectarse el impulso, el diente de sierra retrocede para barrer la siguiente línea, pero en el comienzo existe un régimen transitorio que deformaría la imagen si el vídeo se introdujera justo después del impulso.

    En la actualidad, los tiempos para los pórticos no serían tan grandes.

  • Impulso De Borrado Vertical

    • DEF: Es un impulso que informa al receptor que el campo ha finalizado.

    • DURACIÓN: ocupa 25 líneas de cada campo.

    2,5 líneas ð 5 impulsos igualadores anteriores(pórtico anterior)

    2,5 líneas ð ISV (impulso de sincronismo vertical)

    2,5 líneas ð 5 impulsos igualadores posteriores

    17,5 líneas ð líneas en negro para esperar a que se estabilice el diente de sierra. Las últimas 20 líneas son el pórtico posterior del ISV.

    • DESCRIPCIÓN:

    1. Impulsos de igualación. Anteriores.

    · Duración: 2,5 líneas

    · Situación: antes del impulso de sincronismo vertical

    · ¿Qué es?:

    Son 5 impulsos de ultranegro.

    · ¿Para qué vale?:

    La situación sin este tramo de señal es el siguiente: el ISV, según en el campo en el que estemos, se produce una línea o media línea después del ISH. En el campo en que llega el ISV media línea después del IBH (impulso de borrado horizontal), ambos impulsos quedan demasiado cerca para que el funcionamiento sea correcto, para entender esto debemos conocer el método que tiene el receptor para distinguir cuando recibe un cambio de línea y cuando es un cambio de campo.

    Distinción entre ISH y ISV:

    La diferencia entre un ISH y un ISV es la duración, un ISH es un impulso en ultranegro muy estrecho respecto a un ISV (notad que hablamos de impulso de sincronismo y no de borrado), el ISH dura 4'7 ðs y el ISH dura 2 líneas enteras.

    El modo que tiene el receptor de distinguir un sincronismo de otro es mediante un integrador, que es un dispositivo que almacena energía según el tiempo en que la señal entrante permanezca en ultranegro.

    Por lo que cuando pasa por el integrador un ISH, la señal en su salida es muy pequeña (genera poca tensión), sin embargo cuando recibe un ISV, la energía que almacena es mucho mayor.

    Para que tome la decisión de que, efectivamente, lo que le está llegando es un sincronismo vertical, tiene marcado un umbral, un valor prefijado de tensión, y cuando llega a él, genera todos los procesos que producirán el salto en vertical (el cambio de campo).

    Problema:

    Ahora ya podemos exponer el problema: si mandamos un ISH y un ISV seguidos, cuando llega este último, el integrador parte con carga inicial, la poca que habría almacenado debida al ISH, pero de la que no ha tenido tiempo de desprenderse. Esto deriva en que tarda menos tiempo en llegar al valor prefijado para disparar el barrido vertical, provocando ISVs no periódicos (se dispararía antes).

    En el otro campo no hay problema, porque cuando llega el ISV, ha pasado una línea, con lo que el integrador ya se ha descargado.

    Solución al problema:

    Espaciar el ISV para que la carga del integrador sea nula en los 2 campos. Como vemos, lo que se busca realmente es introducir una señal nula, una trozo de señal en negro.

    Lo ideal sería mantener la señal este tiempo sin impulsos, pero no es posible porque los circuitos de horizontal esperan un flanco de subida cada 64 ðs, así que se colocan unos impulsos muy estrechos (mitad de los ISH) para mantener esos flancos. Los impulsos están separados media línea. Son cinco impulsos, a pesar de que el tiempo transcurrido son sólo 2'5 líneas, ya que según el campo, se aprovechan el 1,3 y el 5, y en el otro el 2 y el 4.

    Aunque parezca que el problema aparece de nuevo, ya que estamos introduciendo subidas a ultranegro, que deberían cargar el integrador, como vemos en el dibujo, son lo suficientemente estrechos como para que el método funcione.

    ¡¡¡!!! Muy importante notar que estos impulsos estrechos en ultranegro no son impulsos de borrado horizontal, no se introduce la señal completa de fin de línea, sino sólo una subida a ultranegro, para que los circuitos crean que todo va bien.

    Actuación de los impulsos de igualación anteriores.

    2. Impulsos de igualación. Posteriores.

    · Duración: 2,5 líneas

    · Situación: tras el impulso de sincronismo vertical

    · ¿Qué es?:

    Son 5 impulsos de ultranegro.

    · ¿Para qué vale?:

    Sin ellos la situación es la siguiente:

        • En un campo habría que poner el primer ISH inmediatamente después del ISV, y en el otro media línea después.En el primer caso, la salida del integrador seguiría creciendo después de que finalizara el ISV, y en el otro no.

        • El Impulso de borrado vertical es simétrico, por lo tanto más fácil de generar.

    3. Impulso de sincronismo vertical

    · Def: es realmente el que informa de que llegó el fin de campo.

    · Duración: 2,5 líneas

    · Características: tiene cuatro hendiduras de duración 4,7 ðs.

    Misión de las hendiduras:

    Durante las 2,5 líneas que dura el ISV, el circuito que recibe los impulsos de horizontal se extrañaría de que no le llegaran y podría funcionar mal. Hay 4 porque en un campo necesita la 1ª y 3ª y en el otro 2ª y 4ª.

    3. ALGUNOS CONCEPTOS MÁS SOBRE TELEVISIÓN

  • Relación De Aspecto De La Pantalla

  • · DEF: es el cociente anchura/altura (la mayoría de los televisores son 4/3)

    · ¿POR QUÉ ES LA PANTALLA MÁS ANCHA QUE ALTA?: el movimiento se da más en horizontal, tenemos los ojos en horizontal, hay más movimientos de ojos en horizontal, además la retina es elíptica.

    · El tamaño de la pantalla se especifica por el tamaño de la diagonal (en pulgadas, generalmente).

    · Los formatos evolucionan a 16:9 como definitivo: porque el espectador lo prefiere.

  • Ancho De Banda De Una Señal DE Video

  • · DEF: el ancho de banda de vídeo es el conjunto de frecuencias distintas que el receptor va a manejar.

    Para limitarlo, se buscó cuál era el máximo valor de frecuencia que se va a representar. Para poder tratar con señales de frecuencia normales, vamos a trabajar con señales que solo contengan blancos y negros.

    Se parte de la señal más sencilla toda la pantalla del mismo tono, esto es una señal de 0 Hz, sin cambios, por lo que el límite inferior del ancho de banda es 0 Hz.

    Se va complicando la imagen hasta tomar la imagen más complicada: tablero de ajedrez, con cambios de blancos a negros muy rápidos, con lo que se encontró un valor de aproximadamente 6.5 MHz, más allá no tiene sentido trabajar, ya que no lo veríamos como puntos de distinto brillo (no apreciamos más calidad), sino que veríamos una imagen en gris (imagen promedio debido a la mezcla aditiva espacial).

    En la realidad no se suelen manejar valores tan altos de frecuencia, ya que se obtiene un valor óptimo para 5 MHz.

    Nota: aunque en realidad no es muy normal trabajar con imágenes que se traduzcan en señales senosoidales puras (sobre las que podemos hablar del parámetro frecuencia), recuerda que cualquier señal por rara que parezca es en realidad una suma de varias señales de este tipo.

  • Resolución

  • · DEF: es el número de líneas verticales representables en una distancia igual a la altura de la pantalla. Se mide en líneas.

  • Factor De Resolución

  • · DEF: es la resolución del sistema dividido por el ancho de banda utilizado

    En nuestro sistema es de 80 líneas por MHz. (valor fijo para cada sistema).

  • Corrección De Gamma

  • Las cámaras que generan la señal de tv son prácticamente lineales, pero los tubos de imagen no lo son (pantallas planas de cristal líquido sí). Con esto nos referimos a que al traducir la señal que llega al receptor (la tensión) y transformarla de nuevo en los brillos correspondientes a cada punto, el resultado no es el reparto de brillo original.

    Para no tener que corregir la señal en el tubo de cada televisor, se escogió 'estropear' la señal que sale de la cámara de manera contraria a lo que hace el tubo, de tal manera que las dos alteraciones de la señal se contrarrestan y la señal que se representa es la correcta.

    D

    B

    B

    D

    0 Hz

    5 MHz