Introduction à la Télévision

Introduction à la Télévision 1. Les réseaux de télévision 1.1 La TV analogique terrestre (extinction totale fin 2011) Les 6 chaînes françaises «historiques» (TF1, FR2, FR3, C+, ARTE et M6) étaient diffusées sur ce réseau ; seule C+ occupait la bande III (bande VHF), les 5 autres étaient émises dans les bandes IV et V (UHF) Chaque bande est décomposée en canaux de largeur normalisée 8 MHz. En VHF (bande III), on émet en polarisation verticale ou horizontale. En UHF (bandes IV et V), on émet presque exclusivement en polarisation horizontale. (En polarisation horizontale, la classique antenne «râteau» a ses brins horizontaux ; en polarisation verticale, ils sont verticaux! polarisation horizontale polarisation verticale En UHF (canaux 21 à 69), on ne peut faire coexister en un lieu que 5 à 6 réseaux analogiques : Compte tenu du standard de modulation employé, si un émetteur local diffuse le canal N, cet émetteur et ses plus proches voisins ne peuvent pas diffuser les canaux N ± 1, N ± 4 et N - 9! En TV analogique, le signal module une porteuse ; tous les programmes disponibles en un lieu arrivent à l antenne râteau. Un circuit d accord, au sein du récepteur permet de sélectionner la chaîne voulue. L occupation d un canal vidéo est assez variable, comme le montre l illustration ci-dessous : Introduction TV page1 Claude Lahache

1.2 La télévision numérique terrestre (TNT La TNT consiste en un ensemble de 18 chaînes gratuites et d une dizaine de chaînes à péage. La bande de fréquence allouée est la même : Bande UHF, canaux 21 à 69, de largeur unitaire 8 MHz La réception s effectue par une antenne râteau, en tous points identiques à celle qui était utilisée par la défunte TV analogique.. Outre le fait que le signal est numérique, avec la norme DVB T, différentes émissions sont multiplexées sur le même canal : Là où on ne diffusait qu un programme sur un canal analogique de largeur 8 MHz, on peut en diffuser 6 en SD (simple définition) ou 3 en HD (haute définition) : Prog 6 1 seul programme jusque 6 programmes simultanés Il existe 6 multiplex, nommés R1 à R6 (et un R7, diffusé actuellement sur Paris Tour Eiffel exclusivement) ; les multiplex R1, R2 et R6 ne diffusent que des chaînes en SD ; le R3 et le R4 assurent une diffusion mixte, et le R5 est dévolu à des chaînes HD La composition actuelle de ces multiplex est la suivante : R1 R2 R3 R4 R5 R6 France 2 i-télé Canal + HD M6 TF1 HD TF1 France 3 Direct 8 Canal + Cinéma Paris Première France 2 HD Eurosport France France 5 Virgin 17 Canal + Sport NT1 M6 HD NRJ 12 Arte France 4 Planète W9 TF6 LCP/Public Sénat BFM TV TPS Star Arte HD TMC Chaîne locale Gulli LCI ou France Ô, ou FR3 bis La norme de diffusion DVB T entraîne une occupation spectrale quasi totale d un canal : Introduction TV page2 Claude Lahache

1.3 La diffusion par satellite. La plupart des états ont procédé au lancement de satellites géostationnaires de télécommunications. Actuellement, plusieurs centaines de ces engins gravitent sur une orbite quasi circulaire, à une altitude voisine de 36000 km. Une propriété essentielle de ce type de satellite est d apparaître comme immobile à un observateur terrestre. MERIDIEN DE GREENWICH L orbite géostationnaire, par comparaison à une orbite basse, très souvent polaire L organisation d une telle diffusion est la suivante : L opérateur de TV émet les signaux vers le satellite qui lui est alloué, à l aide d une parabole de grand diamètre (2 à 3 m) : Faisceau Uplink. Le satellite réémet les signaux vers la Terre, selon un cône qui permet la couverture totale d une zone. (Faisceau Downlink) La réception du signal s effectue grâce à une antenne parabolique, de faible diamètre (50 à 80 cm), pointée sur le satellite en question. Les principaux satellites diffusant des télévisions francophones sont : - Atlantic Bird 3, situé à 3 ouest - La constellation Hotbird, située à 13 est - La constellation Astra, située à 19,2 est. Bandes de fréquences utilisées : Les faisceaux «uplink» sont diffusés dans la bande «Ka» (above K band), entre 26,5 et 40 GHz. Pour les faisceaux «downlink» on exploite des fréquences plus faibles : Aux USA, la bande «C», entre 4 et 6 GHz ; en Europe, la bande «Ku» (under K band), qui s étend de 12 à 18 GHz ; en fait la diffusion TV satellite utilise le bas de la bande «Ku», soit entre 10,7 et 12,7 GHz. Les signaux en bande «Ka» sont très perturbés par les phénomènes météorologiques comme la pluie, ce qui les rend impropres à la diffusion de la télévision ; en bande «Ku» le phénomène est moins marqué ; il n empêche que l atténuation entre le satellite et le sol est de l ordre de 100 db, et que le rapport signal bruit au niveau de la réception est très faible : 10 à 14dB en moyenne! Norme de diffusion : En Europe, on utilise la norme DVB, dans sa version DVB S ; chaque canal a habituellement une largeur de 27 à 36 MHz, et permet la diffusion multiplexée de 6 à 10 programmes, avec les compressions MPEG2 (SD) ou MPEG4 (HD), ainsi que plusieurs programmes radiophoniques. Chaque satellite peut ainsi assurer la diffusion d une bonne centaine de programmes TV! (et autant de programmes radio) Introduction TV page3 Claude Lahache

1.4 La diffusion par le câble. La diffusion de services par le câble est essentiellement assurée par des opérateurs et nécessite le paiement d une redevance. Les signaux sont diffusés sur le réseau câblé avec la norme spécifique DVB C ; (la compression reste MPEG2 en SD et MPEG4 en HD, mais un cryptage est ajouté en sus) Techniquement un réseau câblé se compose de 3 éléments principaux : La station de tête Le réseau de télédistribution Le terminal (téléviseur et/ou récepteur spécifique) La station de tête capte des flux vidéo et les encode en vue de leur diffusion sur le réseau. Elle comporte des antennes terrestres (râteaux) et satellites (paraboles), ainsi qu un accès à une épine dorsale (backbone) de l Internet. Les signaux captés sont filtrés et convertis sur des fréquences conformément à un plan technique défini (canaux) Ils sont démodulés, décodés, décryptés voire transcodés pour les adapter aux normes nationales, réordonnés et éventuellement multiplexés dans des flux numériques. Ils sont de plus adaptés au contrôle d'accès spécifique du réseau câblé pour la gestion directe des abonnements. L architecture technique du réseau comprend une série de lignes de transport, entre la tête de réseau et la prise d'abonné. Ces lignes acheminent les signaux vers les répartiteurs et amplificateurs de distribution, par le câble coaxial (avec amplificateurs de ligne), sur les réseaux les plus anciens, par la fibre optique monomode (multiplexage de tous les types de données numériques), pour les réseaux les plus récents Le terminal, chez l abonné, comporte nécessairement une carte à puce qui autorise le décodage des flux et le choix d un programme par l abonné. 1.5 La TV par Internet. Ce type de diffusion utilise le protocole IP en utilisant une connexion à haut débit sur ligne téléphonique. Comme pour la TV par le câble, il y a nécessité d un abonnement auprès d un fournisseur d accès. (FAI) Les différents services liés à une ligne téléphonique sont schématisés ci-dessous : vers autocommutateur (téléphone sur RTC) Poste téléphonique classique Poste téléphonique VOIP 300 3400 Hz < 10kHz Filtre ADSL (passe bas) 300 3400 Hz passe bas Filtres passe haut Ligne Modem ADSL (XXXXbox) > 10kHz vers DSLAM (tous services sur IP) Central téléphonique Domaine public Domicile abonné Réseau domestique : PC TV etc (ethernet, WiFi ) Organisation électrique d une connexion ADSL avec différents services sur IP Côté abonné, on rencontre le modem ADSL qui alimente le réseau domestique (ordinateur(s), télévision (avec décodeur) et téléphone sur IP), ainsi que des postes de téléphonie classique (si la ligne n est pas dégroupée). Coté central téléphonique (locaux de l opérateur historique), la ligne débouche sur un réseau de filtres, qui sépare les signaux de la téléphonie classique de ceux liés aux services sur IP, délivrés via le DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) Le DSLAM assure l interface entre des lignes d abonnés et une artère du Web à fort débit. Introduction TV page4 Claude Lahache

Organisation du service de TV sur IP : A la différence des moyens classiques (terrestre, câble, satellite), 1 seul programme est diffusé à la fois : Celui que l abonné a sélectionné à l aide de la télécommande de son décodeur TV! Ceci s explique par la bande passante insuffisante de la ligne téléphonique. Pour la diffusion d'un flux vidéo SD, un débit dédié de 1,5 à 3 Mbps est indispensable. Pour le lancement d'un service triple-play (Internet + TV(SD) + téléphone IP), le débit minimal imposé par les opérateurs est de l ordre de 5 à 6 Mbps. La bande passante chez l abonné dépend de la longueur de la ligne entre le domicile de cet abonné et le DSLAM de l opérateur.. Une distance maximale de 4000m est compatible avec un débit suffisant pour recevoir la TV par Internet, en qualité SD, dans des conditions satisfaisantes. Par contre, pour la réception d un flux HD, la longueur maximale de la ligne tombe à 2000m environ. La TV sur IP permet un réel service de VOD (Video on Demand) : L opérateur n envoie un programme particulier qu à un seul abonné lorsqu il le demande, sans encombrer tout le réseau avec ce programme. 1.6 La télévision «mobile». C est la dernière déclinaison de la diffusion terrestre de la télévision, à destination des récepteurs portables et mobiles (téléphones essentiellement). Elle s appuie sur les réseaux des opérateurs de téléphonie mobile et utilise la norme DVB H (H pour handheld) Par rapport à la TNT (DVB T), cette norme utilise le même type de modulation (COFDM), mais avec diffusion du contenu en salves (time slicing), ce qui permet de n activer le mobile récepteur que 10% du temps, protégeant ainsi quelque peu son autonomie. Depuis la fin de 2005, des chaînes de télévision sont d'ores et déjà accessibles en direct sur un téléphone mobile. Pour les diffuser, les opérateurs de téléphonie mobile exploitent le canal réservé aux données ("data") haut débit de leurs réseaux : UMTS (jusqu'à 384 kbps en réception) et EDGE (entre 100 et 200 kbps). La télévision par le réseau haut débit mobile est une technologie dite "unicast" par opposition au "broadcast" (principe de diffusion en masse utilisé pour la diffusion TV classique : TNT, satellite, etc.). Comme l'appellation "unicast" le laisse entendre, regarder la télévision sur un téléphone mobile consiste à accéder à un flux constant (aussi appelé "streaming") initié uniquement pour un utilisateur. Regarder la télévision par le canal 3G ou EDGE recèle de ce fait quelques inconvénients : Cette méthode se révèle gourmande en bande passante : Comme le flux vidéo doit multiplier les transmissions et canaux pour atteindre le téléphone mobile, il peut aussi provoquer des encombrements. En cas de saturation, la qualité se dégrade très rapidement (images saccadées ou pixellisées, avec parfois des ruptures). Cela pourra être aussi le cas si l'utilisateur se déplace ou entre progressivement dans une zone mal couverte. Elle se montre aussi gourmande en ressources batterie : Très sollicitée pour réceptionner les données, votre autonomie s en trouve réduite, en cas d'accès prolongé à ce type de services! Introduction TV page5 Claude Lahache

1.6 Récapitulation : Configurations schématiques des principaux modes de diffusion de la télévision. (crédit : Agence Wallone des Télécommunications http://www.awt.be/) La télévision numérique terrestre (TNT) La distribution par satellite La distribution par câble La télévision «mobile» Introduction TV page6 Claude Lahache

2. L image 2.1 Les formats. 2 formats coexistent : Historiquement, le format 4 / 3 était le seul jusqu au début des années 1990. Ensuite, le format 16 / 9, plus adapté à la vision humaine est apparu,et s est peu à peu imposé. 4/3 h 16/9 h h h d d Les deux formats d image Les tailles d écrans sont repérées par la longueur d de la diagonale, exprimée en pouces (1 pouce 2,54 cm) 2.2 Les modes de balayage d écran. Une image est formée par un certain nombre de lignes horizontales, balayées successivement, de gauche à droite et de haut en bas. La cadence de rafraîchissement est de 25 images par seconde. Le balayage de ces lignes peut être progressif : Les lignes d une image sont toutes décrites l une après l autre ; une trame correspond à une image complète. Le balayage peut être entrelacé : On balaie d abord les lignes «impaires», pendant 1/50 ème de seconde (1 ère ½ image ou 1 ère trame), puis les lignes «paires», pendant 1/50 ème de seconde (2 ème ½ image ou 2 ème trame) Le balayage entrelacé était impératif avec les anciens écrans cathodiques ; il permettait de réduire considérablement l effet de papillotement lumineux, améliorant ainsi le confort visuel. 1 2 3 4 5 Retour trame (durée 50 lignes) 336 337 338 339 Retour 1 ère trame (durée 25 lignes) 23 24 25 26 27 Retour 2 ème trame (durée 25 lignes) 572 573 574 575 620 621 622 623 308 309 310 Le balayage progressif : Représentation simplifiée Le balayage entrelacé : Représentation simplifiée Le balayage entrelacé ordinaire est dit «balayage 50 Hz» Actuellement sont apparus des balayages «100 Hz» et «200 Hz» : En balayage 100 Hz entrelacé, chaque ½ image est décrite 2 fois au cours d un cycle. Le principal intérêt de ces balayages plus rapides est de procurer des images plus lumineuses et d augmenter la netteté de scènes comportant des mouvements rapides. Introduction TV page7 Claude Lahache

2.3 Les définitions. L image en télévision est formée par un certain nombre de pixels, de forme carrée. (Cette forme permet de faciliter certains traitements vidéo) La définition correspond au nombre de pixels horizontaux et verticaux qui forment l image. Définition standard (SD) : Elle comprend 625 lignes horizontales, dont seulement 576 sont visibles (correspondent à la formation de l image). Les autres (49), sont dédiées à la synchronisation, à des séquences test, aux télétextes. En format 4/3, chaque ligne comprend donc en théorie 4/3 576 = 768 pixels ; cette valeur est ramenée en pratique à 720 pixels par ligne. Une image SD, au format 4/3 est donc formée de 720 576 pixels, soit un peu plus de 400000 pixels ; cette définition correspond à la qualité du DVD. En format 16/9, chaque ligne comporte 16/9 576 = 1024 pixels ; une image SD au format 16/9 est donc formée théoriquement de 1024 576 pixels, soit près de 600000 pixels. En supposant que cette image soit numérisée, avec un codage de chaque pixel sur 8 bits, ceci nécessiterait un débit binaire considérable de l ordre de 80 Mbits/s (25 8 400000). Cette forme de numérisation à la source n est cependant pas utilisée, car ce type de signal numérique se prête mal aux manipulations (effets vidéo, trucages ) Autres définitions : 720p : L image est formée de 720 lignes, avec balayage progressif ; le format est 16/9. Chaque ligne comporte ainsi 1280 pixels (16/9 720) ; chaque image est formée de plus de 900000 pixels. Cette définition a été un temps dénommée «HD Ready» 1080i ou 1080p : L image comprend 1080 lignes, avec balayage entrelacé (i) ou progressif (p) ; C est la TVHD ou télévision haute définition. (Nommée encore «Full HD») En HD, la définition (hor vert) est ainsi de 1920 1080 pixels. Chaque image est formée de près de 2 millions de pixels, soit presque 5 fois plus qu en SD. A l heure actuelle (février 2010), les sources de programmes en qualité HD sont au nombre de 5 chaînes francophones (TF1, France 2, Canal +, Arte et M6). Ces chaînes sont diffusées sur les satellites Astra, Hotbird et Atlantic Bird, sur le câble et l ADSL, et commencent à être diffusées sur les multiplex R3, R4 et R5 de la TNT. Une autre source HD est constituée par les films enregistrés au format «BluRay). Introduction TV page8 Claude Lahache

3. Les différents types d écrans. 3.1 Les écrans cathodiques (pour mémoire). Ils représentent moins de 50% des écrans de télévision, début 2010 en France Leur principal inconvénient est leur encombrement, leur poids, et l émission de rayonnements électromagnétiques. Leur durée de vie est estimée à un peu plus de 20000 heures. Par contre, à leur avantage restent la finesse du graphisme et l angle de vision très étendu (tant horizontal que vertical) Masque à fentes ovales 3.2 Les écrans plats à technologie LCD. Principe des cristaux liquides : Le pouvoir de transmission d une lumière polarisée dépend de leur état. Un écran LCD doit être rétroéclairé! Le rétroéclairage s effectue généralement à l aide de tubes fluorescents, ou CCFL (d où une certaine consommation énergétique et un léger échauffement) ; cependant, le rétroéclairage à LED (3000 à10000 diodes!!) monte en puissance et permet la réalisation de dalles à faible consommation et très minces ( 3 cm environ au lieu de 7 à 8 cm pour les dalles à rétroéclairage à tubes) Transmission ou non de la lumière par une lame de cristaux liquides : L application d un champ électrique entre les 2 grilles bloque le passage de la lumière. Introduction TV page9 Claude Lahache

Détails d un écran LCD couleur Détails d un pixel Points positifs : Faible encombrement, poids modéré (environ 20 kg pour une dalle de 40 de diagonale), absence de rayonnement, pas de tensions dangereuses. Points négatifs : Champ visuel limité, temps de réponse perfectible. La durée de vie de ce type d écran est estimée à environ 50000h. Introduction TV page10 Claude Lahache

3.3 Les écrans plats à technologie plasma. Contrairement aux LCD, les écrans PDP (plasma display panel) sont des dispositifs à technologie émissive ; ils n ont pas besoin d éclairage annexe. Les cellules de l écran sont remplies d un gaz «rare» ( mélange néon xénon), qu on peut exciter par application d une différence de potentiel entre 2 électrodes. Le retour au repos du gaz s accompagne de l émission d une radiation UV, laquelle provoque à son tour l émission d une lumière visible par un photophore (R, V ou B) tapissant la cellule. Les électrodes de commandes sont organisées en «lignes et colonnes» et permettent d adresser chaque cellule. Détails d un écran plasma couleur - Points négatifs : Poids, échauffement et consommation (100 à 300W!!) - Points positifs : Affichage possible du noir «intégral», angle de vision important. La durée de vie des dalles plasma est assez courte : Environ 10000h. 3.4 Les écrans à technologie OLED. Chaque sous pixel (cellule R, V ou B) est constituée d une diode LED organique. Avantage par rapport aux LCD : Pas de rétroéclairage, donc épaisseur très faible (< 5mm) et peu énergivore. Actuellement, Samsung a présenté un écran OLED de 31 pouces, avec pour caractéristiques : durée de vie 35000h contraste 1000000 : 1 temps de réponse < 0,1ms dalle full HD, 1920 1080 pixels. Sony commercialise une dalle OLED 11. Applications futures : Écrans, écrans flexibles, éclairage. Introduction TV page11 Claude Lahache

4. Le signal vidéo noir et blanc Le signal doit contenir les informations suivantes : - luminosité de chaque point de l écran (luminance) - information de saut de ligne (impulsion unique de durée 5µs) - information de changement de trame (retour en haut de l écran ; suites d impulsions complexes, de durée 25 lignes) Les composantes "luminance" et "synchro" sont séparées par le niveau de référence : le "noir". Niveau "blanc" Signal VIDEO Zone réservée à la composante luminance Zone réservée aux composantes synchro t Détails d une ligne d une mire de barres verticales Allure d une synchronisation de trame Ce signal est transmis avec une inversion momentanée du rapport cyclique des tops de synchro ligne. A la réception, un circuit passe-bas moyenneur suivi d un comparateur à seuil pourra détecter l inversion de rapport cyclique et produire ainsi le top trame. Cette technique astucieuse permet de conserver la synchro ligne tout en insérant des tops trame qui ont une largeur de 150 ms. 0,7V Niveau "noir" 0,3V Niveau "infradurée 25 lignes Introduction TV page12 Claude Lahache

Spectre du signal vidéo N & B : Un signal vidéo correspondant à une image fixe est caractérisé par une double périodicité : - les lignes se répètent toutes les 64 µs, soit une fréquence de répétition de f H = 15625 Hz - les trames se répètent toutes les 20 ms, soit une fréquence de répétition de f V = 50 Hz Spectre d un signal N & B dans la gamme 0 à 5MHz Zoom dans la gamme 0 à 100kHz En conclusion, nous pouvons dire que le spectre d un signal vidéo N & B : - a assez nettement un caractère de spectre de raies - contient des composantes jusqu à 5 ou 6 MHz - ces composantes décroissent assez régulièrement 5. Signal vidéo couleur On utilise ici la synthèse trichrome additive. Chaque pixel de l écran est défini par ses 3 composantes (R,V, B) Or, le signal vidéo couleur doit être reconnu par un récepteur N & B (il en existe encore!) La TV utilise une représentation de la couleur sous la forme Luminance + Chrominance (Y + C), où la chrominance est décomposée en 2 éléments, la différence rouge (R Y) et la différence bleue (B Y) Lois de couleur usuelles : Y 0,3R + 0,59V + 0,11B C R 0,877(R Y) et C B 0,493(B Y) en PAL C R - 1,902(R Y) et C B 1,505(B Y) en SECAM C R C B Les 3 composantes Y, C R et C B pour une mire de barres couleur Introduction TV page13 Claude Lahache

Le transport de la couleur dans le signal vidéo doit assurer la compatibilité avec le parc de récepteurs N & B. Les différents standards (NTSC, PAL et SECAM) utilisent tous le même format de signal vidéo : Références : - La télévision numérique. Hervé Benoît. Dunod - Cours de télévision de Supélec. Jacques Weiss. http://www.rennes.supelec.fr/ren/perso/jweiss/ - Cours vidéo de Marcel Cremmel. http://electronique.marcel.free.fr/ Introduction TV page14 Claude Lahache

ANNEXE : Exercez vous avec ces quelques calculs numériques immédiats. 1) Calculer la Bande Passante vidéo théorique en définition standard, 720 576. rép 1 : 720 pts en 52µs T MINI 52 10-6 / 360 f MAX 6,9MHz 2) Calculer la vitesse atteinte par des électrons accélérés sous une tension U 20kV rép 2 : eu = ½ mv 2 soit, avec e = 1,6 10-19 C et m = 9 10-31 kg, v 80000km/s 3) Calculer la vitesse de déplacement du faisceau électronique à la surface d un tube de 24 et de format 4 :3 rép 3 : 24 61cm de diagonale, soit une longueur de ligne de 49cm, balayée en 52µs v H 9500m/s soit 34000km/h 4) Calculer l ordre de grandeur de la longueur l des brins d une antenne râteau VHF accordée sur 220MHz et ceux d une antenne UHF, accordée sur 600MHz. rép 4 : l = c/(2f) VHF : l 68cm et UHF : l 25cm 5) Soit une émission au standard 625 lignes, 25 images par seconde, en N & B. Représenter le signal vidéo et son spectre : - pour une image uniforme (blanche, grise ou noire - pour une image formée de 4 bandes verticales identiques, alternativement N et B. Introduction TV page15 Claude Lahache