Curso Video Analógico y Digital

Curso Video Analógico y Digital
1. Video Analógico
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
Sincronismos horizontal y vertical
Sincronismo compuesto
Señal de luminancia (Blanco y Negro)
Señal de video compuesto
Composición del color: Mezclas aditivas y sustractivas
Señales primarias de TV Color: R, G, B
Señales de componentes: Y, U, V
Señal de crominancia: Modulación de las señales U y V, burst
2. Video Digital
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Muestreo: Principios
Frecuencias de muestreo, longitudes de palabra
Multiplexado de las señales de componentes
Trama de la señal
Frecuencia de serialización para distintos estándares
1.
Video Analógico
1.1
Sincronismos horizontal y vertical
En nuestro país se utiliza el estándar PAL-N para la emisión al aire de las señales de video.
Dentro de las productoras o canales de televisión se trabaja en PAL-B. Existen dos diferencias
de relativa importancia entre estos dos estándares. Una es la frecuencia de subportadora, en
PAL-B es de 4.43361875 Mhz y en PAL-N la frecuencia es de 3.582056 Mhz. La otra diferencia
es el ancho de banda del canal de transmisión. En nuestro país el ancho de banda del canal de
emisión es de 6 Mhz (idem EEUU) mientras que en Europa es de 8 Mhz. Esto implica una
mayor definición en la imagen.
En el sistema PAL la información de video se envía a lo largo de 625 líneas (horizontales) y con
una frecuencia de refresco de pantalla de 50 ciclos por segundo. Esta información esta dividida
en dos campos (par e impar o 1 y 2 ) de 312 y ½ líneas cada uno.
Cada campo tiene entonces una frecuencia de repetición de 25 ciclos por segundo y los
barridos de ambos se encuentran entrelazados. Esto significa que las líneas de un campo no
se superponen en la pantalla sobre las líneas del otro. Además los campos se encuentran
intercalados en el tiempo en la secuencia 1-2-1-2-1-2.......
El esquema de barridos se ve en el siguiente diagrama.
Campo 1
Campo 2
Para que la imagen se presente en los monitores o televisores en perfecta sincronía, esto es,
una línea debajo de la otra y un campo entrelazado con el otro son necesarios dos pulsos de
sincronización. Horizontales y verticales. Estos pulsos en realidad se encuentran dentro de una
única señal que conocemos como señal de sincronismo compuesto.
1.2
Sincronismo compuesto
Los pulsos de Horizontal y Vertical en realidad se encuentran dentro de una única señal que
conocemos como señal de sincronismo compuesto.
En este sincronismo distinguimos varias partes.
En primera instancia los pulsos de sincronismo horizontal. Estos pulsos se encuentran
separados entre si por un tiempo igual a 64 microsegundos (su inversa 1/64 microsegundos es
igual 15625 ciclos). Esto hace que las líneas tengan igual duración lo que en una pantalla se
traduce como igual largo desde un extremo al otro.
El gráfico siguiente da una idea detallada de la forma del sincronismo horizontal junto con una
tabla que define los tiempos del mismo.
Símbolo
H
Características
(Tiempos en microsegundos)
Período Nominal de Línea
a
Duración de la señal de Borrado Horizontal
b
Comienzo de la zona activa
c
Pórtico Anterior
1,5 ± 0,3
d
Pulso de sincronismo
4,7 ± 0,2
e
Tiempo de establecimiento borde anterior de Sincronismo
0,3 ± 0,1
f
Tiempo de establecimiento borde posterior de Sincronismo
0,2 ± 0,1
En segunda instancia tenemos el “tren” de pulsos verticales.
La siguiente gráfica nos muestra este conjunto de pulsos.
PAL N / B
64
12 ± 0,3
10,5
Como se puede observar el tren de pulsos verticales se encuentra alineado con los pulsos
horizontales en los campos impares ó 1 y comienzan en la mitad de la línea en los campos
pares ó 2. El correcto entrelazado de las líneas de un campo con el otro se logra gracias a la
acción de los pulsos de ecualización.
1.3
Señal de Luminancia (Blanco y Negro)
Hasta aquí hemos visto las señales de sincronismo utilizadas para los barridos horizontal y
vertical, estas señales existen desde la aparición de la televisión en blanco y negro.
Aparece ahora otra información llamada luminancia y es la que nos dará el nivel de brillo de la
imagen. Por norma se adopta 0,7V para una señal de blanco y 0V para una señal de negro.
1.4
Señal de video compuesto
Es la señal que incluye a la señal de crominancia que ya veremos como se forma.
El video tal como lo vemos en un forma de onda tiene tres componentes fundamentales a
saber: sincronismos, luminancia e información de color. La luminancia es coincidente con la
señal de luminancia del viejo sistema de blanco y negro.
Esta señal representa en los niveles máximos los valores de mayor brillo de la escena
(blancos). Y por otro lado los niveles mínimos los valores de mínimo brillo de la escena
(negros).
Todos los valores intermedios representan la gama de grises posibles.
Hasta aquí definimos una señal de blanco y negro. Veamos una señal de color.
Por retrocompatibilidad la señal de color se agregó o sumó a la señal de blanco y negro.
Esto trajo consecuencias positivas y negativas. Dentro del aspecto positivo esta nueva señal
compuesta permitía utilizar gran parte del equipamiento existente en la época de blanco y
negro: Distribuidores de video, mixers, patch panels, etc., y fundamentalmente el ancho de
banda de la señal de color puesta en el aire es el mismo que ocupaba la señal de blanco y
negro. Vale decir que el canal de transmisión se mantuvo en 6 Mhz.
Como contrapartida, los aspectos negativos que presenta este tipo de señal son entre otros:
baja resolución o definición de las señales de colores, distorsiones en el proceso de
modulación de las señales de componentes, gran dificultad para separar las señales de color
de la luminancia, esto es necesario en casi todas la máquinas de VTR y en televisores o
monitores donde es necesaria la separación de las señales de luminancia y color (croma)
previa a la demodulación, Se puede ver la dificultad para la separación de las señales en las
barras de color donde vemos en la transición de una barra con otra un “viboreo” molesto.
También este tipo de señal tiene problemas de crosstalk que se pone de manifiesto en
imágenes con mucho detalle por ejemplo en ropa con tramas cuadrillee donde aparecen
disparos de color aún siendo la señal de blanco y negro. Esto como consecuencia de coexistir
en el espectro de frecuencias componentes de la señal de luminancia y de crominancia.
Otro de los problemas en lo que hace a definición del color es que las señales U y V están
limitadas en frecuencia a 1,5 Mhz de ancho de banda, vale decir que solo puedo ver los
detalles de color en imágenes que ocupan superficies relativamente grandes en la pantalla, o
sea que no puedo ver el color en un cabello en una toma normal de una cara.
1.5 Composición del color: Mezclas aditivas y sustractivas
Existen dos tipos de mezclas de colores.
Las sustractivas y las aditivas.
Las primeras son aquellas correspondientes a las mezclas de pinturas y llevan su nombre dado
que iluminadas con luz blanca absorben (sustraen) determinadas longitudes de onda y solo
reflejan aquellos colores que luego vemos.
Por otro lado las aditivas son aquellas compuestas por mezclas de luces. Vemos entonces
aquellas longitudes de onda que componen dicha luz.
1.6 Señales primarias de TV Color: R, G, B
Sabemos que los 3 colores fundamentales utilizados en televisión son rojo, verde, y azul. Las
señales R,G y B tienen amplitudes de 0 a 0,7V tal como la señal de luminancia.
La señal de luminancia está definida como la suma de las señales de R,G y B en ciertas
proporciones, estas son:
Y = 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B
1.7 Señales de componentes: Y, U, V
Los sistemas de televisión color incluyen dos señales adicionales conocidas como Diferencia
de Color o Componentes. Estas señales son moduladas de acuerdo al formato de codificación
o modulación definido en cada estandar (NTSC, PAL o SECAM). Estas señales
matemáticamente se definen como:
V=R–Y
U=B–Y
U y V son moduladas (en los sistemas PAL y NTSC) sobre dos portadoras que se encuentran
defasadas entre si a 90° y luego sumadas, lo que nos da la señal de color o crominancia. Este
tipo de modulación se conoce como modulación en cuadratura.
Esta señal sumada a la señal de luminancia y a la señal se sincronismo compuesto nos da
como resultado la Señal de Video Compuesto.
Esto se ve mejor en el diagrama siguiente:
1.8 Señal de crominancia: Modulación de las señales U y V, burst
Señal de Luminancia con sincronismo ya sumado
Señales Diferencia de color
Señales Diferencia de Color ya moduladas
Señales Diferencia de color moduladas y sumadas
(Croma)
Tal como dijimos U y V son moduladas (en los sistemas PAL y NTSC) sobre dos portadoras
que se encuentran defasadas entre si a 90° y luego sumadas, lo que nos da la señal de color o
crominancia. Este tipo de modulación se conoce como modulación en cuadratura.
A la señal U le corresponde ser modulada por una portadora en el formato de modulación de
amplitud con portadora suprimida y a la señal V se la modula con una portadora girada a +-90°.
Mas (+) para una línea y menos (-) para la siguiente. Para el sistema NTSC aolo corresponde
con portadora de V a 90°.
Sumada a las señales ya vistas (sincronismo compuesto, crominancia y luminancia), existe otra
señal de referencia importante que aparece como necesaria a partir de la aparición de la
televisión color.
Es lo que conocemos como burst. Esta señal permite el sincronismo de las señales de color y
su correcta recuperación en los circuitos demoduladores incorporados tanto en televisores
como en monitores.
El burst es la señal que visualizamos en un forma de onda a continuación del pulso de
sincronismo horizontal, mas precisamente en el back porch y que visto en un vectorscopio se
presenta como dos trazas o vectores ubicados a ± 135° respecto del cero de referencia.
El sistema PAL (Phase Alternating Line) tiene como principal característica la indicación, línea a
línea, de la fase de la señal V (R-Y). Esto permite que en la demodulación se recuperen los
colores con la fase correcta de color evitándose errores de HUE o matiz tal como sucede en el
sistema NTSC americano. La desventaja de este procesamiento es la reducción de la
resolución vertical en el color debido al promediado que se realiza entre líneas, así como
también una reducción en la saturación de los colores.
Dijimos que la fase de V alterna 180°, o sea en una línea es +V y en otra –V. Los circuitos
demoduladores necesitan recuperar en cada línea la fase actual de esta señal, esta fase la
indica el burst. El mismo esta constituido por componentes U y V y esta última alternando de
+V a –V. Esto lo vemos en el vectorscopio como dos puntos a ± 135°.
El proceso completo de demodulación no esta comprendido en el alcance de este curso.
2. Video Digital
2.1 Muestreo: Principios
Como es todo sistema de conversiones de analógico a digital se aplica la teoría de
Niquist. Este define que la mínima frecuencia de muestreo necesaria debe ser igual al
doble de la máxima frecuencia a convertir.
Se deberá tener en cuenta entonces los anchos de banda de cada señal para
determinarse entonces la frecuencia de muestreo correspondiente.
2.2 Frecuencias de muestreo, longitudes de palabra
Existe un dispositivo electrónico llamado Conversor AD (Analógico a Digital) que
es el encargado de convertir una señal analógica en digital. Este circuito integrado tiene
una entrada para la conexión de la señal analógica y una salida donde se obtiene la
señal digital. Esta última esta compuesta en realidad por 8 o 10 salidas que formarán la
palabra de 8 o 10 bits de acuerdo a que tipo de conversor se esté utilizando.
Antiguamente los conversores eran de 8 bits, pero actualmente los hay de 10 bits.
Las normas digitales de video soportan ambos formatos siendo el óptimo el de 10 bits.
¿Que implica entonces tener 8 o 10 bits? Pues bien codificar la señal analógica en 8
bits implica reconocer 256 (28) niveles distintos para la señal de entrada y en 10 bits,
1024 (210) niveles. Vale decir tengo una mejor resolución en 10 bits. Una cosa a tener
en cuenta es que muchos equipos tienen 10 bits de entrada y salida pero interiormente
procesan la señal en 8 bits con lo que se pierde algo de calidad. Generalmente se trata
de equipos de bajo costo cuyo funcionamiento está basado en placas de video de PC y
que normalmente trabajan en 8 bits. También la norma MPEG-2 trabaja en 8 bits.
El conversor AD necesita de una segunda entrada que es la señal de reloj.
Esta señal es la encargada de tomar la muestra de la señal de entrada y permitir el
pasaje a digital.
El proceso de conversión no es entonces un proceso continuo sino discreto.
Vale decir que la conversión a digital se produce con cada pulso de reloj que ingresa.
Necesitaré entonces una frecuencia de muestreo mayor que la frecuencia de entrada
a convertir de acuerdo a Nyquist.
¿De que sirve esto? Sabemos que las señales de video necesitan un ancho de banda
de 5 Mhz para que sean de buena calidad por lo que se necesitará una frecuencia de
muestreo de 10 Mhz para no tener perdidas de calidad en la conversión AD.
En la señal componente digital serie que utilizamos en estos dias, las señales
contenidas son como su nombre lo indica las componentes Y, U, V.
Las frecuencias utilizadas para las conversiones AD son 13,5 Mhz para la señal de
luminancia y 6,75 Mhz para las componentes U y V.
Los anchos de banda que permitirian estas frecuencias son entonces de la mitad de su
valor, vale decir 6,75 Mhz para luminancia y 3,375 Mhz para las señales U y V.
Estos valores son ideales, en la práctica son algo inferiores dado que ante cada
conversor es necesario un filtro pasa bajos y por las características de los mismos en
realidad los valores se reducen a 5,75 y 3 Mhz.
En resumen, 3 son las señales convertidas a digital: Y,U y V.
En el siguiente gráfico se ven los valores digitales que pueden tomar los distintos
valores analógicos de las señales de componentes:
Niveles de cuantificación para luminancia.
Niveles de cuantificación para las señales U y V:
Los valores de los gráficos anteriores son los recomendados. Sí quedan excluidos
expresamente en la norma ITU-601 los valores 00 0000 0000 y 11 1111 1111, que son
de uso exclusivo de las señales de sincronización.
2.3 Multiplexado de señales
La señal de componentes digitales serie se envía a través de un cable coaxil.
Dado que se están enviando 3 señales por el mismo cable necesitaremos algún
método para conseguirlo. Este proceso se llama multiplexado y serialización y consiste
en enviar en forma sucesiva y secuencial las señales YUV.
La secuencia utilizada es la conocida como 4:2:2. Esto quiere decir que por cada 4
muestras de luminancia se envían 2 de U y 2 de V.
Esto se hace en el siguiente orden:
U-Y-V-Y-U-Y-V-Y-........
Se verá un poco mas en detalle en el siguiente punto.
2.4 Trama de la señal
Recordemos que en digital se envían las señales en componentes. Tendremos
entonces los tiempos de borrados horizontal y vertical prácticamente libres para enviar
otras señales durante estos intervalos.
Las señales de sincronismo horizontal, vertical y de borrados se pueden enviar dentro
de una palabra de 10 bits (XY) que se repetirá cada 64 microsegundos (FH) y que será
precedida por tres palabras de identificación
La siguiente tabla nos da la distribución de estos bits dentro de la palabra de control.
Número del bit
de datos
9(MSB)
8
7
6
5
4
3
2
1
0(LSB)
Pra. Palabra
(FF)
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Sda. Palabra
(00)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Tercera Palabra
(00)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Cuarta Palabra
(XY)
1
F
V
H
P3
P2
P1
P0
0
0
Los valores son para interfaces de 10 bits. Para la compatibilidad con interfaces de 8
bits los bits 1 y 0 son iguales a cero.
En la tabla anterior:
F = 0 durante el campo 1
F = 1 durante el campo 2
V = 0 fuera de la supresión de trama vertical
V = 1 durante la supresión de trama vertical
H = 0 en SAV (Start Active Video)
H = 1 en EAV (End Active Video)
Los bits P3, P2, P1 y P0 llamados de protección son bits auxiliares que permiten
confirmar la exactitud de los bit F, V y H. No son de interés para este curso.
La tabla siguiente nos define el estado de los bits V y F a lo largo de las 625 líneas.
625 líneas
V - Supresión de Trama Digital
Comienzo
(V=1)
Trama 1
Final
(V=0)
Comienzo
(V=1)
Trama 2
Final
(V=0)
F – Identificación de Trama Digital
Trama 1
F=0
Trama 2
F=1
Línea 624
Línea 23
Línea 311
Línea 336
Línea 1
Línea 313
Distribución de muestras en los canales de luminancia y diferencias de color
718
719
720
721
732
863
0
1
2
3
Y1
CR0
Y0
CB0
XY
00
00
1
FF
0
XY
366
00
360
00
359
FF
1
Y719
0
CR359
366
Y 718
360
CB 359
359
2.5 Frecuencia de serialización para distintos estándares
En el estandar ITU-601 la frecuencia de muestreo elegida para la luminancia es
de 13.5 Mhz, y para las señales U y V es de 6.75 y 6.75 Mhz. Si sumo 13.5 Mhz + 6.75
Mhz + 6.75 Mhz me da 27 Mhz. Esta es la frecuencia que tengo en la trama digital
paralelo. Como debo serializar estos datos que a su vez son de 10 bits la frecuencia
resultante me da de 270 Mbit/S.
Otra forma de ver lo mismo es la siguiente:
Para una frecuencia de muestreo de luminancia de 13.5 Mhz nos da un total de 864
muestras por línea. Para las señales de diferencia de color la frecuencia de muestreo
es de 6.75 Mhz por lo que nos da una cantidad de 432 muestras por línea.
Si sumamos todas las muestras en una línea:
864 (Y) + 432 (U) + 432 (V)= 1728 muestras. Siendo cada muestra de 10 bits,
repitiéndose durante las 625 líneas y a una velocidad de 25 frames por segundo:
1728*10*625*25=270.000.000, vale decir 270 Mbits.
Dijimos que 864 son las muestras totales por línea lo que nos da un total de 720
muestras activas o visibles. Así también la cantidad de líneas es 625 pero visibles se
definen como 576 lo que nos da una resolución para nuestro sistema de 720X576.
Para el formato de 525 líneas americano y a iguales frecuencias de muestreo se tienen
858 muestras de luminancia por línea y otro tanto para las señales de diferencia de
color, total 1716 muestras por línea.
Entonces nos queda: 1716*10*525*29.97=270 Mbits
Veamos que el sistema americano debió mover la frecuencia de frame de 30 a 29.97
Hz.
Para este formato la resolución es de 720X486.
Existen otros estándares digitales como por ejemplo Compuesto Digital Serie que
utiliza como frecuencia de muestreo 4 X FSc. Para NTSC nos da entonces una
frecuencia de 143 Mbits/S. Y para PAL 173 Mbits/S.
Glosario
V:
mV:
Volt. Unidad de tensión. Este parámetro en video es utilizado para la
medición de amplitud de señales.
Milivolt. Milésima parte de 1 Volt
mV pap:
Milivolt pico a pico. Diferencia entre los valores máximo y mínimo de una
señal.
NTSC:
Sistema de codificación de señales de video inventado y utilizado en
EEUU. Tiene 525 líneas horizontales y 60 campos por segundo.
PAL B:
También conocido simplemente como PAL es el sistema inventado en
Alemania. Es derivado del NTSC. Tiene 625 líneas y 50 cuadros por
segundo.
PAL N:
Sistema utilizado en Argentina, Paraguay y Uruguay. Funcionalmente es
igual al PAL pero difiere en la frecuencia elegida para la subportadora de
color.
Burst:
Señal existente en el back porch de la señal de borrado. Se utiliza para la
recuperación de la subcarrier necesaria para la sincronización de los
decodificadores o demoduladores de los monitores o televisores y la
consiguiente recuperación de las señales R G y B transmitidas.
Subcarrier: Subportadora. Señal constante de 4.43 Mhz en PAL-B o 3.58 Mhz que se
obtiene a partir del burst.
Back Porch: Lugar ubicado entre el pulso de sincronismo y la zona de video activo.
Front Porch: Lugar ubicad entre la zona de video activo y el pulso de sincronismo.
Tip Sync:
Borde inferior del pulso de sincronismo.