4.2 PAL (Phase Alternate Line) *
4.3 SECAM (Séquentiel à mémoire)
*
4.4 MESECAM *
Cette hétérogénéité est liée à l'histoire de la télévision et à la volonté de certains pays (ou continents) à prouver leur supériorité technologique en adoptant chacun un système différent. Le premier système a été nord-américain (NTSC), quelques années plus tard, il a été adapté/amélioré en Europe (PAL) ; la France, associée à l'URSS, a défini son propre standard (SECAM).
PAL U.K., Allemagne, Espagne, Italie, Inde, Australie, Singapour, Hong Kong, Chine, Argentine, Brésil, .…
SECAM France.
MESECAM Grèce, Russie, Égypte, Arabie Saoudite.
Les standards présentés concernent le domaine de la télévision "Grand Public", il en existe d'autres dans le domaine de la vidéo professionnelle (BetaCam, …) qui ne seront pas abordés dans ce document.
4.1 NTSC (National Television Systems Committee)
Format américain, aussi appelé ironiquement Never Twice the Same Color (jamais deux fois la même couleur), pour sa versatilité. Compatible avec le format américain Noir et blanc 60 Hertz (balayage 60 fois par seconde, soit 2 demi-images balayées 30 fois, soit 30 images complètes en 1 seconde). Ce fut le premier standard couleur inventé (1953) par les américains pour garder la compatibilité avec les postes noir et blanc de l'époque.
Définition de l'image : 640 pts x 475 lignes utiles (x 30 par seconde).
Le système NTSC utilise une base de couleurs YIQ, détaillée
ci-après :
EI = 0,27(EB - EY)+0,74(ER - EY) = 0,60ER - 0,28EV - 0,32EB
EQ = 0,41(EB - EY)+0,48(ER
- EY) = 0,21ER - 0,52EV + 0,31EB
Il s'agit d'une base de couleurs décalée de 33° par rapport à une base YDRDB :
EI = cos(33°).DB + sin(33°).DR
EQ = sin(33°).DB + cos(33°).DR
Cela se justifie par l'analyse de la perception visuelle humaine, notamment les ellipses de Mac Adam, qui montre une distorsion de la sensibilité de l'œil suivant certaines directions dans l'espace des couleurs. Ainsi, on peut réduire la bande passante du terme représentant l’axe de moindre sensibilité.
Bande passante EI = 1,2 MHz
Bande passante EQ = 400 kHz
Le Blanc de référence est caractérisé par Y = max, EI = EQ = 0.
Modulation d’amplitude double en quadrature de phase à porteuse supprimée :
Soit 2 signaux modulants (c'est à dire à moduler) S1(t) et S2(t), d'amplitude unitaire et de faible bande passante, et une porteuse de pulsation w0.
= [P1sin w0t + P2cosw0t] + k[P1S1(t)sinw0t + P2S2(t)cosw0t]
Vecteur fixe Vecteur mobile
a(t) se décompose donc en 2 parties :
Vecteur fixe : il s'agit de la porteuse de pulsation w0t ; elle doit être éliminée car elle ne transporte pas d'information utile.
Vecteur mobile : il s'agit de l'onde modulée en quadrature de phase sans porteuse, c’est donc lui que l’on va considérer, notons le m(t).
m(t) = |M0(t)|sin(w0t + j0) avec : |M0| = (P1S1)² + (P2S2)²
, on peut écrire :
EQ = DB.cosa + Dr.sina = M.cos(j - a)
Fig. 4.1 : Vecteur de modulation de la sous porteuse
On a donc comme contraintes :
Le codage de la couleur doit être compatible avec le N&B
fSC < 4,2 MHz (bande passante de la luminance)
fSC multiple impair de fH (interférences)
(fSC - fSON) multiple impair de fH
(interférences)
Le système NTSC a adopté :
fTRAME = 59,94 Hz
fSON = 4,5 MHz (modulation FM)
fH = fSON/286
fH = 15734,264 ± 0,044 Hz
et
fSC = (910/4)fH = 227,5fH
fSC = 3,579545 MHz ± 10 Hz
L’analyse spectrale du signal composite ainsi obtenu est donnée par la figure suivante ; on s’aperçoit que les spectres de la luminance et de la chrominance ne sont pas continus (ils sont échantillonnés à la fréquence ligne (fH)) et le choix de fSC permet à ces 2 spectres de ne pas se chevaucher.
Fig. 4.2 : Détail du spectre du signal Vidéo composite NTSC
Du fait du choix de la fréquence de 277,5. fH , on retrouve les mêmes conditions de phase toutes les 4 trames (2 images).
Luminance : une solution simple est d’extraire la luminance par un filtrage passe-bas, une autre solution, plus performante mais plus onéreuse, consiste à utiliser un filtre en peigne (les dents du peigne étant espacées de fH).
Chrominance : le signal de chrominance, modulé en amplitude, étant peu sensible aux perturbations apportées par la luminance, un filtre passe-bande (" cloche ") suffit généralement..
Fig. 4.3 : Filtres d’extraction de la luminance
Il faut ensuite démoduler les signaux de chrominance, ceux-ci sont modulés en amplitude sans porteuse ; il va donc falloir effectuer une démodulation synchrone, dont voici le principe :
Il faut multiplier le signal entrant (m(t)) par une porteuse de référence,
générée au sein du récepteur, asservie en phase
à la porteuse d’origine ; cet asservissement est réalisé
lors de la salve de chrominance en début de ligne. La salve de référence
dure 8 périodes et sa phase est de 180°.
Porteuse de référence : p(t) = P0sin(w0t + q0)
Onde modulée : m(t) = M0(t)sin(w0t
+ j (t))
R(t) = 2KP0sin(w0t + q0). M0(t)sin(w0t + j (t))
= KP0M0 (t)cos(2w0t + j + q0) + KP0M0 (t)cos(j - q0)
Spectre centré sur 2w0
Spectre
en bande de base
Après filtrage passe bas, on obtient D(t) :
D(t) = KP0M0 (t)cos(j - q0)
Sachant que les signaux modulants s’écrivent :
S1(t) = Mcos(j)
S2(t) = Msin(j)
D(t) = KP0M0[S1(t)cosq0 + S2(t)sinq0]
Pour une démodulation correcte pendant toute la durée
de la ligne, il faut que l'oscillateur présente une stabilité
supérieure à 10-7.
Fig. 4.4 : Récepteur NTSC
La ligne à retard (470 ns) placée sur la luminance sert à compenser les temps de propagation des signaux de chrominance à travers les filtres.
Cross-Color : la fréquence de la sous porteuse chrominance (3,58 MHz) est relativement basse, ce qui fait qu’une partie du signal de chrominance peut générer des défauts sur l’image.
Dérive de couleur : pour un fonctionnement correct de la démodulation d’amplitude, il faut que l’oscillateur du récepteur soit très bien asservi en phase par rapport à l’émission ; une dérive de phase se traduit par une restitution infidèle des couleurs particulièrement sensible pour le rose (teinte " chair ") ; pour atténuer ce défaut, les récepteurs effectuent une correction automatique sur cette teinte, la couleur " chair " paraît plus fidèle mais d’autres textures dans les mêmes tons peuvent être altérées.
4.2 PAL (Phase Alternate Line)
Format européen, mis en application en 1962, qui s’est fortement inspiré du modèle américain (NTSC) en en prenant les avantages et en essayant d’en gommer les défauts.
Compatible avec le format européen Noir et blanc 50 Hertz (balayage 50 fois par seconde, soit 2 demi-images balayées 25 fois, soit 25 images complètes en 1 seconde).
Définition de l'image : 720 pts x 576 lignes utiles (x 25 par seconde).
Y = 0,30ER + 0,59EV + 0,11EB
U = 0,493(EB - EY) (~DB)
V = 0,877(ER - EY) (~DR)
Le Blanc de référence est caractérisé par Y = max, U = V = 0.
Afin de réduire les distorsions de couleurs liées à des dérives de phase rencontrées sur le système NTSC (entre émission et réception, on alterne la phase de la sous porteuse chrominance à chaque ligne : On transmet : U ± jV.
Ligne 2kN : on transmet U + jV : S(t) = Ucosw0t +jVcos(w0t + p/2)
Ligne 2kN+1 : on transmet U - jV : S(t) = Ucosw0t
+ jVcos(w0t - p/2)
La phase de la salve de référence vaut 180° ± 45° (valeur moyenne de 180°)
Le système PAL a adopté :
fTRAME = 50 Hz
fSON = 5,5 MHz (modulation FM)
fH = 15625 ± 0,044 Hz
et
fSC = (
)fH + fIMAGE
= (284 + ¼)fH + 25 Hz
fSC = 4.433.618,75 Hz ± 5 Hz
L’analyse spectrale du signal composite ainsi obtenu est donnée par la figure suivante, le choix de fSC permet à ces 2 spectres de ne pas se chevaucher.
Fig. 4.5 : Détail du spectre du signal Vidéo composite PAL
Il faut attendre 8 trames (4images) pour retrouver les mêmes conditions de phase de la sous porteuse chrominance.
La démodulation du signal de chrominance peut se faire également comme pour le NTSC mais, pour obtenir de meilleures performances, il est préférable d’utiliser une ligne à retard (de durée d’une ligne vidéo (64 µs)) :
Fig. 4.6 : Ligne à retard 64 µs
La réalisation du retard se fait par propagation acoustique d’une onde dans un matériau céramique de forme octogonale ; Pour un fonctionnement correct du décodage, la norme PAL impose une tolérance de 6 ns.
Lors du décodage de la ligne N, on utilise le signal de la ligne précédente (N-1), soit :
Ligne N-1 : on a U + jV
Ligne N+1 : on a U - jV
La somme de ces 2 informations donne : 2U
La différence entre ces 2 informations donne : 2V
L’avantage de cette technique est d’annuler une erreur d’asservissement de phase de l’oscillateur du récepteur (q0 vu pour le NTSC).
L’inconvénient du procédé est que le traitement réel est le suivant :
La somme de ces 2 informations donne : UN-1 + UN
La différence entre ces 2 informations donne : VN-1 + VN
Or, d’une ligne à l’autre, l’information couleur peut avoir de fortes variations (contour horizontal, par exemple), ce qui va se traduire par l’apparition de fausses couleurs.
Fig. 4.7 : Récepteur PAL
Parmi les défauts générés, on peut noter :
Format français, développé concurentiellement au système PAL (1962), basé sur une approche fondamentalement différente.
Il est compatible avec le format européen Noir et blanc 50 Hertz (balayage 50 fois par seconde, soit 2 demi-images balayées 25 fois, soit 25 images complètes en 1 seconde).
Définition de l'image : 720 pts x 576 lignes utiles (x 25 par seconde).
Le système SECAM utilise une base de couleurs Y DR
DB, détaillée ci-après :
DR = -1,902(ER - EY) (bande passante : 1,2 MHz)
DB = 1,505(EB - EY) (bande passante : 1,2 MHz)
Le Blanc de référence est caractérisé par Y = max, DR = DB = 0.
Le choix de la modulation s’est porté sur la modulation de fréquence en raison de son meilleur comportement vis à vis du bruit (de luminance, essentiellement).
Chaque composante de couleur possède sa fréquence porteuse :
pour une ligne " rouge "
pour une ligne " bleu "f0R = 282.fH = 4.406.250 Hz et Df0R = 280 kHz
f0B = 272.fH = 4.250.000 Hz et Df0B = 280 kHz
En fait, les signaux DR et DB ne sont pas centrés sur 0, cela fait que les 2 signaux modulés occupent la même bande de fréquence : 3,9 à 4,8 MHz ; la figure suivante représente, de manière graphique, la loi de modulation.
Fig. 4.8 : Loi de modulation et spectre SECAM
Pour limiter la visibilité des signaux de chrominance par un récepteur N&B, il est pratiqué une inversion de phase sur la porteuse suivant une séquence prédéfinie sur 3 lignes (0 0 p 0 0 p ... ou 0 0 0 p p p ...) ; de même en trame, on inverse la phase à chaque trame (0 p 0 p ...).
Ainsi, on retrouve les mêmes conditions de phase toutes les 4 trames (2 images), comme pour le NTSC.
Fig. 4.9 : Discriminateur de fréquence
Cette solution est économique à utiliser mais elle présente
l’inconvénient de ne pas être très linéaire,
elle impose un ajustage précis du filtre et le temps de réponse
du filtre peut introduire des défauts de décodage.
Fig. 4.10 : Récepteur SECAM
Pour effectuer la démodulation, le récepteur utilise la voie directe et la voie retardée (d’une ligne) et utilise l’information du portier pour aiguiller, via le permutateur, le rouge et le bleu. Sur les anciens récepteurs, l’identification des lignes (Rouge ou bleu) se faisait au début de chaque trame, une bascule déterminait, en changeant d’état à chaque ligne, ensuite la permutation à effectuer ; les récepteurs plus récents sont capables d’identifier à chaque ligne, durant la salve de chrominance, la couleur de la ligne.
Le principal défaut du système SECAM vient de la perte de résolution en couleur liée à la transmission séquentielle de la chroma ; la figure suivante présente un contexte d’erreur de décodage.
Fig. 4.11 : Cas d’erreur de décodage de la couleur (SECAM)
Un autre défaut est l’impossibilité de faire du montage entre 2 images SECAM (incrustation, par exemple) sans risquer un décrochage du décodage lié à un saut de phase de la sous porteuse.
Une grande qualité du système SECAM est la qualité de la restitution des teintes, qui est stable, même pour des couleurs fortement saturées.
Il s’agit d’un format hybride employé essentiellement en Afrique
du Nord, il reprend le principe de transmission séquentielle de
la chroma utilisé par le SECAM, mais effectue une modulation d’amplitude
au lieu d’une modulation de fréquence ; la justification de ce choix
de modulation teint à des raisons essentiellement économiques,
les magnétoscopes PAL étant nettement moins chers que les
SECAM.