Guida introduttiva sul segnale video e i mezzi trasmissivi

Application Note n° 006
Guida Tecnica
Il segnale video e i mezzi di trasmissione
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Indice
Il segnale video e i mezzi di trasmissione........................................................................................................................... 1
Teoria del Segnale Video Composito ............................................................................................................................. 3
Il segnale video nello specifico....................................................................................................................................... 4
Lo spettro delle frequenze............................................................................................................................................... 5
Scegliere il cavo giusto ................................................................................................................................................... 7
Le interferenze sul cavo .................................................................................................................................................. 9
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Teoria del Segnale Video Composito
Il Segnale è costituito da un’ insieme di righe sovrapposte formati da punti luminosi detti pixel, maggiore è il numero di
pixel maggiore è la risoluzione, ossia il parametro che definisce la quantità di pixel generati
RISOLUZIONE VERTICALE: numero di righe orizzontali.
RISOLUZIONE ORIZZONTALE: numero di righe verticali.
Gli standard più diffusi sono quello CCIR in Europa e quello EIA negli Stati Uniti, evolutisi poi nello standard PAL e
NTSC. Tutte le loro differenze di fondo derivano dal fatto di basarsi su una frequenza dell'alimentazione elettrica
diversa (50 e 60 Hz). Questo è il motivo per cui quasi tutti i paesi con energia elettrica a 50 Hz utilizzano il PAL,
mentre l'NTSC è diffuso nei paesi dove la frequenza è di 60 Hz.
Prima di spiegare le differenze tra i due formati, è tuttavia necessario introdurre il concetto di interlacciamento. L'
interlacciamento consiste nell'inviare non la totalità delle linee componenti i fotogrammi, ma prevede prima la
scansione delle righe pari e successivamente quella delle righe dispari. A seguito della permanenza dell' immagine
generata sulla retina dell' occhio umano per alcuni istanti, il risultato finale è un'unica immagine priva di sfarfallii,
uniformemente distribuita che crea "l'illusione" di un movimento fluido e costante.
Chiariamo il tutto con un esempio grafico:
Come si può notare dall’ immagine non vengono inviate tutte le linee del fotogramma ma solo il 50%. Questo tipo di
soluzione introduce quindi due concetti fondamentali, quello di campo e quello di frame. Un campo (field) sarà
costituito o dall’ insieme delle righe pari o da quello delle righe dispari, mentre un fotogramma (frame) sarà costituito
dalla totalità delle righe (sia pari che dispari), e quindi vale la relazione: 2 campi = 1 fotogramma.
Introdotto il concetto di interlacciamento possiamo ora comprendere le differenze tra il formato EIA e CCIR:
•
Nello standard CCIR ciascuna immagine è formata da 625 linee, 50 campi (Field), Interlaccio 2:1 , e 25
fotogrammi al secondo (Frame).
•
Nello standard EIA ciascuna immagine è formata da 525 linee, 60 campi (Field), Interlaccio 2:1 , e 30
fotogrammi al secondo (Frame).
Le differenze sono quindi nella risoluzione dell’ immagine (più bassa nell’ EIA), e nel numero di fotogrammi al
secondo (più basso nel CCIR).
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Il segnale video nello specifico
Una volta introdotti i concetti di base, vediamo il segnale video più nel dettaglio.
Come già accennato il sistema video-televisivo utilizza un tipo si scansione sequenziale dove il segnale luminoso
presente nelle celle di riproduzione, convertito dal segnale elettrico, è una successione di piccole aree periodicamente
illuminate (lo schermo televisivo). Quindi la porzione di schermo viene “scansionata” punto per punto.
Questa scansione avviene tramite un pennello, formato da un fascio di elettroni, che va a colpire sequenzialmente (da
sinistra a destra e dall’ alto verso il basso) i singoli elementi fluorescenti che convertono il segnale elettrico in segnale
luminoso.
La scansione del pennello avviene secondo una figura geometrica, denominata raster, che ha un formato con un
rapporto tra larghezza ed altezza dell'immagine pari a 4/3, e si distingue in scansione orizzontale, quando il pennello
sta scandendo la singola riga, e scansione verticale, quando si passa al campo successivo e il pennello ritorna al punto
di partenza.
E’ tuttavia importante considerare che questa scansione dovrà avvenire in ripresa dalla telecamera (dove il segnale
luminoso è convertito in elettrico) e in riproduzione dal monitor (dove il segnale elettrico è convertito in luminoso), e
che quindi entrambe le operazione dovranno essere sincronizzate. Pertanto:
•
•
I due tempi di scansione (64 microsecondi per l'orizzontale e 20 millisecondi per il verticale) devono essere
stabiliti a priori e devono essere identici per i due pennelli (ripresa e visione).
L'istante esatto di partenza della scansione, sia nel senso verticale che nel senso orizzontale, deve essere
comandato da uno start denominato sincronismo.
Come per le scansioni, abbiamo due segnali di sincronismo:
1.
Sincronismo orizzontale: segnale inserito durante il ritorno del pennello da destra a sinistra che determina la
fine della scansione di una riga e l’ inizio della successiva (ogni 64 microsecondi)
2.
Sincronismo verticale: segnale che determina l’ inizio e la fine del singolo campo (ogni 20 millisecondi)
Nel video composito tutte le informazioni del filmato (luminosità, colore, audio, sincronismo etc.) sono inviate
attraverso un segnale elettrico variabile. L’ escursione fra il suo valore massimo e quello minimo è di 1 V (1 Volt
picco-picco, 1Vp-p). Le tensioni applicate al singolo pixel sono comprese tra 0 e 0,7 volt (più alta è la tensione
maggiore è la luminosità), mentre i segnali di sincronismo sono compresi tra 0 e –0,3 V e sono inseriti durante la
cancellazione (o il ritorno) del pennello (blanking) .
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Lo spettro delle frequenze
Essendo tutte le informazioni trasmesse in un unico segnale dovremo distinguerle in base alla loro banda di frequenza,
per questo motivo il video composito contiene un ampio spettro di frequenze da 50Hz a 7 MHz nel sistema PAL.
Più precisamente la larghezza della banda video è di 5 MHz, mentre la portante audio si trova a +5,5MHz dalla portante
video.
E il colore?
E’ evidente che in un sistema a colori, dovrà essere dedicata una porzione di banda anche alla trasmissione degli stessi,
mantenendo intatto il segnale di luminanza e aggiungendo la componente cromatica, composta dai tre colori primari
sufficienti per riprodurre la maggior parte delle tinte esistenti in natura. Pertanto le tre grandezze principali del colore
sono: la luminanza (la variazione dal nero, al grigio ed al bianco del segnale b/n), la tinta (la caratteristica che distingue
un colore da un altro) e la saturazione (la quantità di luce bianca presente nel colore saturo, ossia l’ intensità).
In un sistema TVCC i colori vengono gestiti come in figura:
La luce proveniente dalla scena da riprendere entra nell’obiettivo della telecamera che la raccoglie e la separa nei tre
colori fondamentali per mezzo di tre lenti speciali, dette dicroiche, in grado di riflettere soltanto il colore rosso la
prima, e il colore blu la seconda e di mandarle entro un tubo da ripresa in grado di trasformarle in un opportuno
segnale elettrico. La luce verde non viene deviata. I tre tubi da ripresa generano quindi tre distinti segnali elettrici che
racchiudono l’informazione presente nell’immagine originaria, ma dopo averla scomposta nei tre colori fondamentali:
rosso, blu e verde.
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Il segnale video trasmesso comprenderà quindi 3 componenti:
1.
2.
3.
B-Y = Contiene le informazioni elettriche del colore blu, alle quali è stata sottratta, con una operazione
elettronica, la componente di luminanza, componente che verrà reintrodotta nella fase finale della ricezione.
Tenuto conto che l'occhio umano stenta a percepire una modulazione troppo piccola di questo colore, la
larghezza di banda è stata tenuta volutamente piuttosto ristretta attorno alla frequenza della subportante di
colore e cioè +/- 0,6MHz.
R-Y = Contiene le informazioni elettriche dei colore rosso, private della componente di luminanza. La banda
trasmessa è relativamente limitata, anche se maggiore di quella adottata per il BLU: -1,8Mhz a +0.6Mhz, per
la stessa ragione di quanto avviene per quel colore; l'occhio non percepisce modulazioni troppo piccole di
questo colore.
Y = Contiene le informazioni elettriche relative alle variazioni di luminosità dell'immagine e rappresenta il
segnale bianco e nero nella ricezione di trasmissioni non a colori. Poiché l'occhio umano è in grado di
percepire maggiori dettagli nel b/n piuttosto che ne l colore, questo segnale ha la larghezza di banda di 5
MHz (massima). In trasmissione il segnale Y viene ottenuto sommando le tre componenti cromatiche.
L'onda portante che fa da supporto a due segnali di colore è a 4,43 MHz nel sistema PAL (una banda del segnale video
non utilizzata), i segnali R-Y e B-Y vengono modulati su questa portante sfasati di 90 gradi. La portante viene poi
soppressa in trasmissione per venire successivamente reintrodotta in sede locale in ricezione grazie al burst.
Dopo il sincronismo di riga infatti vengono generate una decina di oscillazioni a 4,43 MHZ. Tale treno di onde viene
chiamato Burst ed è utilizzato per sincronizzare l'oscillatore locale a quarzo (che lavora sempre a 4,43 MHZ) che
rigenera la sottoportante colore soppressa in trasmissione. Per eliminare i disturbi sul segnale cromatico vi è un circuito,
denominato killer colore, il quale quando il segnale è debole entra in funzione sopprimendo gli eventuali segnali non
cromatici a 4,43 Mhz.
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Scegliere il cavo giusto
Una volta studiato il segnale video nella teoria, vediamo nella pratica i mezzi tramite il quale si propaga nell’ ambito
del TVCC.
La scelta del cavo è per certi versi più importante di quella della telecamera, in quanto scegliere il cavo giusto significa
avere un segnale propagato sempre correttamente e senza disturbi, primo requisito fondamentale per avere un’
immagine nitida a monitor. Vediamo le diverse tipologie di cavi:
IL CAVO COASSIALE
E’ il cavo tipico utilizzato nel TVCC. E' composto da un'anima di rame massiccio avvolta da una calza metallica la cui
funzione è schermare le interferenze, esternamente protetto da PVC. Fra i due materiali conduttori (anima e calza) è
posto uno spesso strato di isolante.. Per il trasporto del segnale video TVCC il cavo coassiale più utilizzato è l’ RG59
con un'impedenza di 75 Ohm e un diametro esterno di circa 6mm
Il segnale che viaggia sul cavo coassiale viene definito "sbilanciato" in quanto il segnale viaggia sul conduttore centrale
mentre il conduttore esterno (la calza) viene solamente usato per bilanciare la differenza di potenziale fra i due capi del
cavo. Vedremo in seguito che esiste anche la possibilità di trasferire il video in modo "bilanciato" con del cavo twistato.
il cavo RG59 utilizza il connettore a baionetta BNC (Bayonet-Neil-Concelman), o, in alternativa,
può usare connettori rca per le brevi distanze.
La lunghezza massima teorica del cavo RG59 è di circa 250m, ma è generalmente sconsigliato superare i 200m, in
quanto il livello di attenuazione del segnale sarebbe troppo alto. Il cavo coassiale tende infatti a tagliare le frequenze più
alte, producendo un’ impoverimento dell’ immagine con l’aumentare della lunghezza. Il cavoRG59 attenua circa 2,5 dB
ogni 100 metri di cavo.
In un impianto con telecamere ad alta risoluzione è consigliabile non superare i 3 dB di attenuazione (salendo si
perderebbero i vantaggi dell’ alta risoluzione), mentre in un impianto a risoluzione standard è possibile arrivare a 6 dB
(ossia 200m di cavo).
Esistono inoltre in commercio cavi coassiali con attenuazione più bassa, come l' RG6 e l' RG11 che consentono cablaggi
fino a 300 e 500 metri rispettivamente, ma sono di più grossa sezione, più rigidi e costosi, e quindi non adatti a tutte le
installazioni. Per questa ragione, per distanze superiori ai 200m, è consigliabile utilizzare un amplificatore di segnale,
che consente di compensare le perdite del cavo, ma introduce comunque una certa percentuale di rumore.
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IL CAVO TWISTATO
Il cavo twistato consiste in 2 cavi di rame intrecciati fra loro ( ad esempio il
normale doppino telefonico). Può essere schermato o meno, il primo ha una
calza metallica attorno ai due fili di rame.
Tramite questi cavi il segnale video può raggiungere distanze teoriche di circa
1,2 Km, tramite trasmettitori e ricevitori appositi.
Il principio di funzionamento del cavo twistato è quello di trasformare il
segnale video proveniente dal cavo coassiale in un segnale bilanciato, ossia
che viaggia in egual misura su entrambi i conduttori, che saranno sottoposti
alle stesse interferenze (grazie all’ intrecciatura), eliminabili comparando il
segnale ricevuto sulle due estremità.
LA FIBRA OTTICA
La fibra ottica è un cavo formato da due strati di materiale trasparente simile al
vetro, ma flessibile. I due strati, uno concentrico all'altro (nucleo e cladding), hanno
indici di rifrazione differenti. Questo permette a un segnale luminoso generato da
un led o da un laser di viaggiare per decine o centinaia di chilometri senza disturbi o
attenuazioni. Inoltre il segnale non risente di interferenze elettromagnetiche.
La fibra ottica viene correntemente usata per il trasporto di segnale video e dei dati nelle reti di computer. Una singola
fibra può trasportare da 55 Mbit a 2,5 Gigabit al secondo, tuttavia, grazie alla tecnica chiamata DWDM (Dense
Wavelength Division Multiplexer) è possibile associare a diverse lunghezze d'onda (colori della luce) diversi canali
trasmissivi, senza che questi interferiscano tra di loro aumentando la banda trasmissiva. A titolo orientativo una dorsale
intercontientale, con 864 fibre ognuna delle quali in grado di trasmettere 1000 lunghezze d’ onda a 10 miliardi di
bit/secondo ciascuna, è in grado di trasmettere 8,6 milioni di miliardi di bit per secondo.Tale potenza trasmissiva è
molto utile anche nel campo del TVCC, consentendo di portare il segnale a parecchi chilometri di distanza senza
attenuazioni significative, in quanto la luce è esente da disturbi elettromagnetici.
TRASMISSIONE VIA RADIO
In questa soluzione vengono utilizzati un trasmettitore ed un ricevitore che riconverte il
segnale radio in un video composito da inviare al monitor. Il principale vantaggio della
trasmissione senza fili è quello di non dover stendere alcun cavo, e a patto di effettuare un
corretto cablaggio le differenze qualitative con il segnale filare non sono molte. Quando si
sceglie un sistema via radio è sempre bene valutare le distanze e soprattutto stabilire se tra
le due antenne in linea d’ aria ci sono ostacoli. E’ infatti necessario tenere a mente che
qualsiasi ostacolo sulla retta immaginaria che congiunge le due antenne provoca un’
attenuazione del segnale e, nel caso l’ ostacolo sia in metallo, il livello del segnale viene
quasi azzerato. Le distanze massime consentite in un sistema di questo tipo vanno dai
300m ai 3-4 km a seconda della tipologia di trasmettitore/ricevitore scelta.
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Le interferenze sul cavo
Vediamo ora quali sono gli elementi che posso creare disturbi sul cavo coassiale:
Vicinanza del cavo video con quello della corrente alternata:
La schermatura del cavo coassiale fornisce una buona protezione nel confronti delle frequenze alte, ma è quasi
inefficace nei confronti degli impulsi elettrici a bassa frequenza. Per questo è sempre meglio evitare il passaggio di cavi
elettrici in corrente alternata (il 220V a frequenza 50 Hz cioè bassa) a fianco del cavo coassiale video. La corrente
continua non crea problemi.
Giunte sul cavo video
Se possibile evitare di giuntare più cavi video, in quanto è sempre meglio avere un cavo unico che più cavi giuntati, per
evitare dispersioni di segnale.
Utilizzo di derivazioni a T
Per lo stesso motivo è meglio evitare di usare derivatori a t
Terminazione del cavo coassiale
Per mantenere un corretto livello di impedenza, è necessario che l’ impedenza a 75 Ohm del cavo in corrispondenza
della telecamera sia uguale a quella in corrispondenza del monitor. Se il monitor è l’ ultimo apparecchio collegato è
necessario terminare il segnale, mentre, se si ha la necessità di metterne un altro in cascata, si termina il segnale solo
sull’ ultimo dispositivo della catena.
Ritorni di terra
La differenza di potenziale tra le terre può generare disturbi,in quanto si creerebbe un passaggio di corrente anomalo
sulla calza del cavo coassiale:
Per evitare questo problema le soluzioni sono due:
•
•
Utilizzare terre comuni
Utilizzare dispositivi che non necessitano la messa a terra
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