F.Masin et P. Pirotte Travaux Pratiques de 1re Licence Sc. Physiques. Notions élémentaires de télévision.

Transcription

1 Notions élémentaires de télévision. 1

2 Au cinéma, le mouvement est décomposé en un grand nombre d'images fixes projetées successivement. La cadence de défilement de ces images est déterminée par la persistance rétinienne de l'oeil. En effet, si le nombre d'images différentes retransmises chaque seconde est suffisamment élevé (au minimum 16 images par seconde), l'oeil ne perçoit plus le déroulement saccadé de celles-ci mais bien un continuum. La télévision utilise le même principe. La technique utilisée consiste donc à transmettre un grand nombre d'images par seconde (et, comme au cinéma, le son associé). En pratique, dans le studio TV, la caméra analyse chacune des images successives à reproduire de manière analogue à ce que nous faisons lorsque nous lisons une page de texte: de gauche à droite et de haut en bas. A l'autre extrémité de la chaîne de transmission, du coté du téléspectateur, la reproduction de cette image s'effectue en synchronisme parfait et en simultanéité sur l'écran du téléviseur. Le faisceau électronique du tube cathodique du téléviseur balaye l'ensemble de la surface de l'écran (de gauche à droite et de haut en bas) grâce à deux bobinages créant deux champs magnétiques orthogonaux; un pour le déplacement horizontal (balayage ligne) et l'autre pour le déplacement vertical (balayage trame). On parle de déflexion électro-magnétique. L'intensité du champ magnétique provoquant le déplacement horizontal varie suivant une dent de scie, de manière à balayer l'écran de gauche à droite puis de revenir rapidement au point de départ. De même, l'intensité du champ magnétique qui provoque le déplacement vertical du faisceau électronique varie lui aussi suivant une dent de scie (dont la fréquence est beaucoup plus faible) afin de couvrir l'entièreté de l'écran puis de revenir au point de départ. La surface interne du tube cathodique est recouverte de luminophores qui convertissent les électrons capturés ponctuellement, lors du passage du faisceau, en photons. 2

3 Non seulement le faisceau électronique balaye l'écran du téléviseur mais en plus, l'intensité de celui-ci est modulée en fonction de la luminosité recueillie par la caméra à cet endroit précis de l'image en cours d'analyse. L'image est ainsi restituée fidèlement et en temps réel. Nous parlerons des couleurs et du son plus bas. a) Valeurs des fréquences de balayage choisies: Comme signalé précédemment, il est impératif d'obtenir un débit supérieur à 16 images par seconde. Pour des raisons techniques, le nombre retenu est de 25. Cependant, si le déplacement vertical du faisceau électronique se faisait à ce rythme, la partie supérieure de l'image serait déjà partiellement assombrie, voir effacée lorsque le faisceau électronique atteint le bas de l'écran. Ce phénomène provoquerait un scintillement de l'image très désagréable. En effet, les luminophores qui recouvrent l'écran n'ont pas la capacité, une fois excités par le faisceau électronique, de ré-émettre de la lumière pendant tout le laps de temps séparant deux passages successifs de celui-ci. La solution à ce problème consiste à provoquer deux passages entrelacés successifs pour la même image (on se décale à chaque passage d'une demi-ligne). On divise ainsi artificiellement le temps, entre deux balayages verticaux de l'écran, par deux. Cette astuce assure une meilleure stabilité apparente de l'image. Chaque passage constitue une "trame". La fréquence trame est donc de 50 Hz alors qu'on transmet effectivement 25 images complètes par seconde (fréquence image = 25 Hz). 3

4 Une image est constituée de 625 lignes (312,5 lignes par trame). La fréquence ligne (fréquence du balayage horizontal) vaut donc 625 * 25 Hz ou Hz. b) Composition du signal vidéo: Le signal vidéo se répartit en deux zones distinctes : une zone pour la synchronisation du balayage (vertical et horizontal) et une zone pour la luminance (intensité du faisceau électronique). La figure suivante représente une fraction de signal vidéo équivalant à trois lignes consécutives (ces lignes correspondent à un dégradé de gris). b-1) Les signaux de synchronisation: La partie inférieure du signal vidéo n'est pas reproduite sur l'écran du téléviseur. Elle est constituée d'impulsions rectangulaires. Celles-ci sont nécessaires pour synchroniser le déplacement du faisceau électronique d'écriture du téléviseur avec celui du faisceau électronique de lecture de la caméra qui a effectué la prise de vue. Ces impulsions sont détectées par le circuit de synchronisation du téléviseur et permettent alors de déclencher au bon moment le générateur de dent de scie du balayage horizontal (balayage ligne). La figure suivante nous montre la structure du signal vidéo lorsqu'on atteint le bas de l'écran. 4

5 On y voit clairement, sur la gauche, les deux dernières lignes d'une trame. Ensuite, les impulsions de synchronisation horizontale changent de structure (doublement de la fréquence puis inversion des impulsions). A cet endroit, si on intègre les impulsions on obtient un signal correspondant à ce qui est affiché juste en dessous. C'est la présence de cette "impulsion trame" (ou "top trame") qui synchronise le générateur de dents de scie du balayage vertical. b-2) La luminance: La zone luminance contient un signal analogique dont l'intensité module la puissance du faisceau électronique. L'intensité lumineuse des luminophores recouvrant l'écran sera donc directement asservie à l'intensité du signal lumineux recueilli par la caméra et ceci sur toute la surface de l'image. Le temps total consacré au balayage d'une ligne c.-à-d. 64 us (ou 1/15625 Hz), 52 us sont consacrés à la modulation du faisceau électronique (luminance) et le reste est utilisé pour la synchronisation. c) Calcul de la bande passante du signal vidéo: Si, pendant la durée active d'une ligne (52 us), on désire représenter des zones noires et des zones blanches alternées, il suffit d'envoyer un signal luminance de forme carrée qui commandera l'intensité du faisceau électronique. La fréquence de ce signal sera fonction du nombre d'alternances noires et blanches souhaitées sur la ligne considérée. En pratique, on utilise une fréquence vidéo maximale de 5 MHz. Ce qui correspond à 5.106/15625 soit 320 alternances noir/blanc au maximum par ligne. Comme seules 52 us des 64 us sont attribuées, le nombre d'alternances est effectivement réduit à 260 par ligne. Un calcul similaire nous montre qu'une seule alternance noir/blanc par ligne représenterait 1/52 us soit 19,23 khz. Si on désire représenter n'importe quelle image avec la résolution maximale de 260 points par ligne, il faut donc que le signal vidéo couvre toute la gamme s'étalant entre 25 Hz (fréquence image) et 5 Mhz. La mire de télévision (première page) permet de se rendre compte de la qualité d'un poste de réception sans disposer de matériel de mesure. Voici quelques exemples concrets: 1. Les défauts de balayage (non-linéarités) sont perceptibles facilement. En effet, ils se caractérisent par une déformation du cercle. 5

6 2. Un décalage du centre du cercle indique un mauvais réglage de positionnement de l'image. 3. La bande passante des circuit vidéo peut être estimée en observant les bandes verticales situées juste en-dessous de la ligne horizontale partageant le cercle en deux parties égales. Ces bandes sont générées par des fréquences de 0,8 à 4,8MHz. Si le téléviseur est de mauvaise qualité, il devient difficile de distinguer ces lignes pour les fréquences les plus élevées. 4. La qualité de la balance du blanc (et la qualité du noir) peut être estimée en observant la zone supérieure du cercle. 5. La qualité des couleur est directement visible sur la mire (zone horizontale, juste au-dessus de la ligne horizontale partageant le cercle en deux parties égales). d) Le son: La sous-porteuse son se trouve 5,5 MHz au-dessus de la porteuse image. Elle est bien visible sur l'analyseur de spectre. Le type de modulation utilisé pour le son, en système PAL CCIR B/G (norme européenne la plus répandue en Europe) est la modulation de fréquence. e) La couleur: Les signaux permettant de restituer la couleur sont (dans le système PAL) fournis par une sous-porteuse à 4,43 MHz modulée en phase de manière astucieuse. Elle est appelée sous-porteuse "chrominance" et se trouve placée au sein du signal vidéo. Sa présence au sein de la plage des fréquences utilisées par la luminance dégrade la qualité de l'image. Cependant, la fréquence exacte de cette sous-porteuse a été optimisée de manière à minimiser cet inconvénient. Elle est parfois perceptible à l'écran sous forme de "moiré". Typiquement, ce moiré apparaît, lorsque le présentateur est revêtu d'un costume orné de fines rayures. On remarque alors une sorte de distorsion ou de «flou» au niveau de celles-ci. 6

7 f) Le signal de télévision: Les signaux décrits sont transmis grâce à un émetteur qui utilise une porteuse modulée avec le signal vidéo composite (luminance + chrominance) et avec la sous-porteuse son. Etant donné que l'oeil est plus sensible à l'aspect général de l'image, à sa charpente (fournis par les fréquences basses du spectre du signal vidéo) qu'aux petits détails (fréquences élevées) et que d'autre part, il est nécessaire de limiter au maximum la largeur de bande des signaux vidéo, il a été décidé d'utiliser une modulation de type BLR. Ainsi, on conserve l'entièreté d'une des bandes latérales et une petite partie de l'autre (cette petite partie correspond aux basses fréquences du signal vidéo). La détection vidéo du téléviseur fait usage de cette redondance aux basses fréquences afin de restituer des signaux de synchronisation corrects et une image plus fidèle, du moins, en ce qui concerne la charpente de celle-ci. Les petits détails étant moins visibles, une seule bande latérale est amplement suffisante. g) Remarque: Le système PAL (B/G) utilise la modulation négative de la porteuse pour le signal vidéo. Ceci signifie que le signal vidéo est inversé avant de moduler cette porteuse (les impulsions de synchronisation sont orientées vers le haut). h) Gammes de fréquences attribuées à la radio et à la télévision: La page suivante représente, sous forme de tableau, les gammes de fréquences attribuées pour les transmissions radio et télévision. 7

8 Radios TV (VHF1) Radios TV (VHF3) A.M. E2-E4 F.M. E E MHz RTBF Radio (621 KHz) Bruxelles Capitale (99,3 MHz) RTBF1TV (196,25 MHz) BRTN TV (210,25 MHz) TV (UHF4 et 5) TV Bruxelles (591,25 MHz) E Canal+ (703,25 MHz) BRTN2 TV (503,25 MHz) RTBF2 TV (527,25 MHz) MHz TV (UHF4 et 5) E MHz 8