Linea alternata di fase

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La linea alternata di fase ( PAL " stadio alternato lungo le linee") è uno dei tre principali codici colore standard storici utilizzati nella trasmissione di un segnale video analogico. In quanto tale, non specifica un numero di linee o frame rate, che sono indicati, con tutti i parametri di modulazione, dallo standard di trasmissione ad esso allegato (esempio: CCIR L, B, G, K, I…). Tuttavia, con la notevole eccezione del PAL M, in Brasile , che ha le stesse caratteristiche di scansione di NTSC M US (525/30), è quasi sempre associato a formati di 625 linee e 25 fotogrammi interlacciati al secondo (PAL B / G, PAL I…). Questi in realtà visualizzano solo 575 righe perché l'8% del totale viene utilizzato per la sincronizzazione e il trasporto di alcuni dati digitali.

Sviluppato nel 1962 in Germania da Walter Bruch (1908-1990) e in Francia da Gérard Melchior, PAL opera dal 1964 principalmente in Europa, in alcuni paesi del Sud America , in Australia e in alcuni paesi dell'Africa . Dal 1995, tutti i televisori a colori venduti nei paesi che operano SECAM devono integrare circuiti compatibili con PAL (tramite la presa Peritélevision ).

Storicamente, i concorrenti di PAL sono NTSC , di origine americana, e SÉCAM , di origine francese.

Diffusione

L'estensione di PAL varia tra sistemi e fornitori. Le seguenti trasmissioni e regioni sono normalmente incluse nella trasmissione della pubblicazione PAL:

Così come alcuni paesi del Medio Oriente , Africa , Europa .

Descrizione

Lo standard PAL è un'evoluzione dello standard NTSC (tutti i colori standard brevettati prima) e contiene una serie di brevetti dallo standard SECAM ( sé quentiel c olour in m Emory) che corretta dai difetti principali.

Soprattutto, è importante comprendere i concetti alla base di questi tre sistemi. Quando la telecamera scansiona un punto nell'immagine, produce tre segnali, un rosso, un verde e un blu che danno il colore e la luminosità del punto. Questi tre valori costituiscono in qualche modo le coordinate di questo punto nello spazio dei colori e delle luminosità che l'occhio umano è in grado di percepire (perché ha solo cellule sensibili a questi tre colori, oltre che alla luminosità). Possiamo combinarli per sostituirli con altri tre diversi ma descrivendo comunque lo stesso colore (una sorta di cambiamento di base): tonalità, saturazione (la proporzione di grigio nel colore) e intensità (la potenza luminosa del colore).

Il contenuto dell'immagine in un segnale televisivo a colori è distribuito su tre elementi: un segnale in bianco e nero (chiamato luminanza , simboleggiato da Y), che rappresenta l'intensità, e due segnali a colori B - Y e R - Y che noteremo qui per brevità U e V (in realtà, nel formato YUV , è necessario applicare coefficienti a R - Y e B - Y per ottenerli). Dobbiamo considerare questi due valori come le componenti di un vettore che dà il colore: l'angolo che il vettore fa rispetto a U rappresenta la tonalità, e la sua lunghezza la saturazione (figura 1 sotto).

Il colore nei tre standard si aggiunge al bianco e nero modulando una portante (detta sottoportante) che si posiziona nelle alte frequenze della luminanza (che corrisponde ai minimi dettagli dell'immagine e produce disturbi meno visibili) . La frequenza di questa sottoportante è di circa 4,43 MHz (4,433,618,75 Hz ; per PAL M e PAL N, questo valore diventa rispettivamente 3,575 611 MHz e 3,582,056 MHz ) a causa della larghezza di banda video limitata a 4,2 MHz di questi standard (canali a 6 MHz come in NTSC). La larghezza di banda concessa a questo segnale di colore (detta crominanza) viene ridotta di un fattore da 8 a 10 rispetto alla luminanza, sfruttando il fatto che l'occhio è molto meno sensibile ai dettagli nel colore che nella luce. la luminanza che dovrebbe essere meglio conservata).

Ma in PAL e NTSC è necessario poter trasmettere contemporaneamente le due componenti del colore. A tal fine si utilizza la modulazione di ampiezza in quadratura (QAM), che equivale a prendere due portanti della stessa frequenza ma sfalsate di 90°, mettendo U su una e V sull'altra (ognuna quindi subisce una modulazione di ampiezza classica e poi si sommano ). Vediamo che con due sinusoidi sfalsate di 90° (un quarto di periodo) una è al massimo quando l'altra è a zero. Capiamo quindi intuitivamente che se estraiamo il segnale in questo momento, avremo una delle informazioni senza essere disturbati dall'altra. E la seconda informazione a 90° dopo. In pratica si procede diversamente (moltiplicazione per un segnale in fase con quello che si vuole estrarre), ma visto in questo modo, è chiaro che l'informazione delle due componenti non è mescolata in modo irreversibile e si trova a ricezione. Questa modulazione consente quindi di ospitare il doppio delle informazioni nella stessa larghezza di banda, ma a costo di una certa vulnerabilità, perché durante il percorso del segnale tra la sua sorgente e la destinazione può verificarsi una rotazione del vettore colore. ( in particolare a causa dell'apparecchiatura elettronica attraversata), che modifica il colore che si cerca di trasmettere.

Per eliminare le variazioni di colorimetria , frequenti durante la modulazione (trasmissione televisiva) in NTSC, si è scelto in PAL di invertire una delle due componenti di colore ogni due righe: un difetto che compare su una riga viene poi invertito sulla riga successiva, che ti permette di cancellarlo. L'idea di alternare le informazioni colorimetriche da una linea all'altra viene da SÉCAM, così come quella della ricombinazione delle informazioni contenute in queste due linee di scansione mediante la linea di ritardo inventata dall'ingegnere Henri de France ( 1911-1986) e implementato per primo nel sistema SÉCAM per consentire la memorizzazione di un segnale sfasato nel tempo e riproducibile da una linea all'altra. In questo standard viene trasmessa solo una delle due componenti di colore, alternando i segnali U e V da una linea all'altra. Il componente mancante viene copiato dalla linea precedente utilizzando una linea di ritardo di 64 µs che memorizza questo segnale; la linea di ritardo ha trovato un'altra applicazione alla fine degli anni '70 in televisione per la crittografia analogica (tipo Canal + nel 1984) dove diversi ritardi programmabili sono combinati in modo pseudo-casuale su varie parti del segnale in un ordine definito dalla chiave di crittografia.

Questo punto rappresenta la principale differenza tra PAL e SÉCAM. Trasmesso, il PAL trasmette a ciascuna linea le informazioni a due colori mediante una modulazione QAM della sottoportante invertendo la V sulle linee cosiddette “PAL” (identificate dalla fase della sottoportante che si alterna di 180° da una riga all'altra, i frame essendo identificati da un burst di righe iniziali sfasate di ± 45 °), il SÉCAM trasmette una sola informazione di colore a ciascuna riga, alternativamente mediante una frequenza di modulazione della sottoportante ma la cui frequenza di riposo (e larghezza di banda di modulazione) si alterna a seconda della natura del segnale trasportato (U o V, infatti Dr o Db perché il modello di colore è leggermente diverso per potersi adattare al variare della larghezza di banda del segnale cromatico). L'identificazione del colore di ogni frame (sostituito nel 1980 dall'identificazione della linea) viene effettuata in SECAM rilevando quale delle due frequenze di sottoportante viene utilizzata sulla prima riga, mentre in PAL l'alternanza di fase (rilevabile solo al fine della linea durante la sincronizzazione del ritorno della scansione).

Sembra che ci sia il doppio delle informazioni nel segnale PAL, ma in realtà entrambe riducono di un fattore due la risoluzione verticale del colore nell'immagine finale, a causa della necessità di combinare due linee considerate identiche. Questo non è un problema in quanto la risoluzione di questo stesso colore in direzione orizzontale è già ridotta in modo molto più significativo a causa della larghezza di banda molto limitata che gli viene concessa.

Possiamo prima dare una spiegazione semplificata del processo di correzione degli errori, fingendo di invertire totalmente la fase del colore (in realtà viene modificata solo una delle due componenti): Ammettiamo che da una riga all'altra, il colore sarà approssimativamente lo stesso, così come il disturbo causato dalla trasmissione. Si consideri che il trasmettitore, quando la telecamera scansiona il punto p. 1 della riga 1, trasmette un colore CE. La trasmissione aggiunge un errore Er e il televisore finalmente riceve

CR1 = CE + Er

Quando raggiungiamo il punto p. 2 della riga 2, appena sotto p. 1 , il trasmettitore trasmette questa volta –CE (linea alternata). L'errore di trasmissione non cambia e noi riceviamo

–CE + Er

Il ricevitore inverte anche questo valore per ottenere CR2 = CE - Er. Prendiamo quindi CR1 all'uscita della linea di ritardo e prendiamo la media con CR2:

CR = (CR1 + CR2) / 2 = (CE + Er + CE - Er) / 2 = 2⋅CE / 2 = CE.

L'errore viene così eliminato e ritroviamo il colore originariamente emesso (in realtà non completamente, vedi fine della spiegazione dettagliata).

Sulla riga successiva si scambiano i ruoli, è la riga invertita che viene presa sulla linea di ritardo. Un commutatore sincronizzato permette di selezionare su ciascuna linea quale delle due sorgenti (diretta o ritardata) dovrà essere invertita.

Più in dettaglio (fare riferimento allo schema):

Supponiamo che l'ombra iniziale corrisponda ad un angolo di 45° (esempio che ci permetterà di localizzarci rispetto alla bisettrice). Il trasmettitore produrrà il colore CE1 a 45° sulla linea 1 (linea “NTSC”), ma invertirà la componente V sulla linea 2 (linea “PAL”) per produrre un colore CE2 a –45° (figura 2).

La trasmissione provocherà la rotazione dei due colori ricevuti. Vediamo che questo allontanerà quello della linea 1 dall'asse orizzontale (questo sarà il nostro CR1), ma avvicinerà quello della linea 2 (figura 3).

Il ricevitore inverte nuovamente la componente V, che riporta il colore della seconda riga al quadrante positivo (lo consideriamo come il nostro CR2), ma ha anche l'effetto di invertire il difetto di rotazione subito. CR1 e CR2 sono quindi sfalsati da un angolo simmetrico su entrambi i lati del colore originale. In altre parole, il colore corretto è sul loro asse mediano, qui la bisettrice (figura 4).

Sappiamo che la somma di due vettori sarà su questa mediana, quindi aggiungiamo CR1 e CR2, quindi dividiamo per due per ridurre all'ampiezza di un singolo segnale (la media, quindi). Troviamo così l'angolo, e quindi il colore originario (figura 5). Tuttavia, poiché si trattava di compensare una rotazione, saremmo dovuti finire sull'arco verde di un cerchio. Il metodo medio ci permette di avvicinarci, ma c'è ancora un piccolo errore di lunghezza (segmento rosso) sul colore CR finale che verrà visualizzato, che corrisponde ad un errore di saturazione.

PAL produce quindi un piccolo errore di saturazione, maggiore è l'errore di trasmissione. Ma non molto fastidioso nei casi pratici. Si noti che questo errore non è un difetto intrinseco nel segnale PAL, ma è introdotto dall'uso di un metodo di decodifica approssimativo. Tuttavia, era difficile fare di meglio a costi e complessità ragionevoli con l'elettronica analogica dell'epoca.

In pratica la somma vettoriale si ottiene sommando le componenti (U1 + U2 da una parte e V1 + V2 dall'altra) e attenuando di un fattore 2, operazione convenzionale in elettronica.

Talvolta viene citata la possibilità di lavorare in “semplice PAL”, senza una linea di ritardo, essendo poi l'occhio responsabile della ricombinazione delle due linee sullo schermo stesso. In verità questa configurazione non permette di raggiungere una qualità competitiva con gli altri due sistemi e produce difetti ben visibili, tanto da essere stata talvolta utilizzata in studio, proprio per poter giudicare facilmente ad occhio su un monitor dedicato dello stato attuale dello sfasamento del colore in un'installazione.

Compatibilità

A causa della somiglianza della sincronizzazione , PAL e SÉCAM sono facilmente compatibili grazie a un transcoder. Questa unità mantiene la risoluzione e i valori di visualizzazione (625 linee e 25 fotogrammi al secondo) transcodificando solo i segnali di crominanza .

In assenza di transcodificatore, le immagini verranno visualizzate in bianco e nero.

D'altra parte, tra PAL e NTSC, è consigliabile utilizzare un convertitore, che compensi il numero di immagini al secondo (25 o 30) e la risoluzione dell'immagine (525 o 625 linee). A parte le costose apparecchiature professionali " broadcast " , un convertitore PAL / NTSC fornisce un'immagine di qualità mediocre (effetti di balbuzie, perdita di definizione, colori meno fedeli, rumore di fondo, ecc.).

Di conseguenza, le serie sono state girate a lungo su pellicola da 16 o 35 mm a 24 fotogrammi al secondo anziché video, apparecchiature per il telecine e processi pull-down particolarmente sviluppati dall'inizio della televisione.

Varianti di trasmissione e conversione

PAL-N

La variante PAL-N (625 linee a 50 Hz , Chroma a 3,58 MHz ), utilizzata in Argentina e Uruguay, utilizza lo stesso modello di colore YDbDr di SÉCAM invece del modello YUV, ma questa modifica è piuttosto ridotta e molto semplice. .

PALMA

La variante PAL-M esiste per compatibilità con il formato NTSC. Viene utilizzato principalmente su reti via cavo e satellitari analogiche americane e asiatiche. Questa variante è utilizzata solo nella trasmissione terrestre analogica terrestre in Brasile.

Viene mantenuta l'idea dell'alternanza delle due componenti cromatiche da una riga all'altra, ma il formato dell'immagine viene adattato per essere compatibile con NTSC: 525 righe a 60 Hz invece di 625 righe a 50 Hz , e le due sub- le portanti Y e U/V sono poste alle stesse frequenze relative delle due sottoportanti I e Q dell'NTSC.

(Il segnale Q dell'NTSC trasporta simultaneamente le sue due componenti colorimetriche sulla stessa sottoportante modulata in ampiezza, senza alternanza o linea di ritardo, ma in quadratura di fase l'una rispetto all'altra. Questa è la sua più grande impostazione predefinita perché la fase è tecnicamente difficile da rilevare e stabilizzarsi con precisione, tanto più difficile in quanto il segnale Q è modulato in ampiezza, fonte di aberrazioni cromatiche e costanti regolazioni sui dispositivi di ricezione e demodulazione NTSC).

PAL-Plus

Questa variante è adatta al formato 16 : 9 . Riproduce un segnale per televisori widescreen rispettando l'integrità delle 576 linee utili. Questo standard, che è completamente compatibile con i televisori standard, può essere ricevuto solo con un decoder specifico o un televisore compatibile. Ora viene soppiantato anche dalla diffusione digitale di programmi “anamorfici” destinati esclusivamente ai televisori 16:9. Questa modalità di trasmissione è utilizzata in particolare dai canali pubblici e regionali tedeschi.

PAL 60 Hz

Presente solo in uscita video da dispositivi video domestici (come lettori DVD, VHS solo per lettura, LaserDisc, console per videogiochi, ecc.), questo segnale utilizza la scansione (sincronizzazione) dell'NTSC (525 righe e 30 immagini al secondo) e PAL crominanza. Consente una relativa compatibilità dei dispositivi nordamericani e asiatici con alcuni televisori europei. Stabilizza l'immagine ma rimane in bianco e nero. Alcuni videogiochi consentono di scegliere se visualizzare o meno a 60 Hz .

La riproduzione di nastri VHS NTSC in PAL 60 Hz non consente la duplicazione con PAL VHS europeo, o PAL-SECAM, a causa della differenza di tempo (60 Hz contro 50 Hz e 525 linee contro 625 linee). Copiando questo segnale PAL a 60 Hz , su un VHS polistandard forzato in NTSC 4,43 MHz (stessa frequenza della sottoportante di colore di PAL 60 Hz ), ripristinerà un'immagine stabile a 525 linee a 60 Hz , ma con colori distorti.

Supporti di registrazione

I DVD codificati per gli standard 625/25 sono spesso indicati come tipo "PAL", ma questo è un termine improprio perché è un supporto digitale, avendo mantenuto uno dei principi operativi dello standard analogico. Le proporzioni memorizzate su questi dischi sono 720 × 576 pixel (il contenuto effettivo in termini di frequenze spaziali potrebbe essere più limitato a causa della compressione). Il metodo consigliato per collegare tali lettori consiste nell'utilizzare i segnali RGB dalla presa Scart. Ciò che conta è quindi il formato di scansione 625/25, comune a SECAM e PAL europei, e quindi indipendente da questi standard.

Il Laserdisc, era un mezzo analogico (almeno per quanto riguarda l'immagine) che utilizzava un autentico segnale PAL (o NTSC) per modulare una portante di frequenza i cui archi positivi e negativi venivano poi trasferiti sulla superficie del disco come di ciotole e piatti disposti lungo il solco. La maggiore larghezza di banda di PAL rispetto a NTSC, combinata con la minore larghezza di banda del disco (perché la sua velocità di rotazione è ridotta nel rapporto di frame rate 25/30), ha lasciato meno spazio per il suono. Per questo motivo in PAL si doveva scegliere tra il suono digitale PCM o analogico FM, mentre le stampanti NTSC potevano sfruttare entrambi. I dischi NTSC erano anche gli unici che (a volte) offrivano audio digitale in formato AC3 (Dolby Digital). D'altra parte, le versioni PAL offrivano un movimento più fluido sulle pellicole (passo di 3:2 pulldown), nonché una durata maggiore grazie alla rotazione più lenta, unita ad un accorciamento della pellicola nella proporzione di 24/25 (accelerazione PAL). La durata di un lato CLV in PAL era di 64 min (rispetto ai 60 in NTSC), quindi 128 min per disco. Ma grazie all'accelerazione PAL, questa volta è possibile memorizzare 133 min 30 s del film originale, contro i 120 min in NTSC. Un disco PAL potrebbe quindi contenere film più lunghi, con una migliore definizione e una resa del movimento più vicina all'esperienza cinematografica. Tuttavia, molti utenti considerano le versioni NTSC per fornire le migliori macchine da stampa.

I nastri VHS in formato PAL hanno riorganizzato il segnale ma hanno mantenuto il principio. A causa della loro larghezza di banda ridotta, tuttavia, la risoluzione orizzontale era limitata a circa 240 punti per linea (esclusi miglioramenti come VHS-HQ o S-VHS). La risoluzione verticale di 575 linee (in analogico) è stata necessariamente mantenuta per garantire la compatibilità. Negli ultimi giorni dei videoregistratori, era diventato comune garantire la compatibilità con SECAM convertendo quest'ultimo in PAL per la registrazione. Come con i Laserdisc, una cassetta fisicamente identica consentiva un tempo di registrazione leggermente più lungo in PAL rispetto a NTSC. Per quanto riguarda le videocamere, i formati Video / Hi8 da 8 mm offrivano solo PAL. D'altra parte, VHS-C supportava anche SECAM.

Per quanto riguarda lo spettatore che riceve un'immagine PAL via etere, generalmente doveva accontentarsi dell'equivalente da 300 a 400 × 575 a causa di implementazioni a basso costo rese popolari principalmente dai produttori giapponesi e che finirono per essere generalizzate (taglio della parte superiore parte dello spettro di luminanza condiviso con il colore). Anche ipotizzando la massima qualità di produzione, PAL I (uno dei migliori) avrebbe potuto raggiungere solo circa 570 punti di risoluzione orizzontale (limitati in questo dalla larghezza di banda di 5,5 MHz assegnata dallo standard I).

operazione

I televisori commercializzati dal 1995 sono compatibili con PAL. In tutta Europa, lo standard 625/25 viene utilizzato da questi televisori, lettori o registratori DVD europei, videogiochi e altri lettori DivX , ma alla fine è raramente sotto forma di un vero segnale standard PAL. La presa SCART , resa progressivamente obbligatoria su tutti questi dispositivi, offre un ingresso per segnali RGB che è quindi indipendente dalla codifica PAL o SECAM, sebbene comprenda anche dei pin dedicati ai segnali compositi (che consentono l'utilizzo di questi standard). ). Trasmissione digitale ( satellite , cavo digitale , TNT , ADSL ) La TV utilizza sorgenti in formato 625/25 (SD) utilizzate dai canali televisivi. I dispositivi digitali possono integrare modulatori e demodulatori analogici PAL (input e output) per renderli compatibili con i televisori convenzionali.

Nella sua forma televisiva, il concorrente SÉCAM non opera più nel broadcasting analogico terrestre e scomparirà definitivamente nel 2010 in Europa, con la completa digitalizzazione dei trasmettitori (DTT).

Costo

Sviluppato per combinare i rispettivi vantaggi di NTSC e SÉCAM in un momento in cui l'industria elettronica non produceva in modo massiccio, il PAL ricevette il retro-acronimo Payer l'Addition de Luxe (SÉCAM aveva da parte sua quello di Elegant System Against the Americans o quello di Supreme Effort Against the Americans e dell'NTSC Never Twice the Same Color traducibile in "Mai due volte lo stesso colore"). A metà degli anni '70, la quota di mercato di PAL ridusse ulteriormente il suo prezzo di costo a scapito di SÉCAM. L'arrivo delle offerte di lettori DVD e TV satellitari in Francia ha reso necessario utilizzare metodi di connessione diversi dal SECAM senza ricorrere sistematicamente al PAL (presa Scart in RGB, e più recentemente HDMI), l'importante è ancora una volta la compatibilità al livello di scansione in 625/25.