Gli standard dei segnali video – Parte 2

Sul blog di Elettronica Open Source puoi leggere non solo tutti gli articoli Premium riservati agli abbonati Platinum 2.0 e inseriti nella rivista Firmware 2.0 (insieme ad articoli tecnici, progetti, approfondimenti sulle tecnologie emergenti, news, tutorial a puntate, e molto altro) ma anche gli articoli della Rubrica Firmware Reload. In questa Rubrica del blog abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi evergreen per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. S-Video, Video-Composito, RGB, VGA, SCART, tutti standard che hanno a che fare con il segnale video analogico e che nell’era del digitale continuano ad equipaggiare molte apparecchiature di video editing e non solo. Districarsi tra tutti questi standard, senza fare confusione, per molti è spesso non facile. Proviamo a farlo con questo articolo inquadrando l’argomento in maniera semplice ed organica.

CODIFICA E DECODIFICA

Il Video-Composito può essere immaginato temporalmente come è un segnale elettrico suddiviso in tanti segmenti, ognuno dei quali racchiude tutte le informazioni necessarie per ricreare su un monitor una linea TV orizzontale. Mettendo insieme tutte le linee TV è possibile ricostruire un fotogramma; la sequenza di fotogrammi genera l’immagine in movimento, di solito in forma interlacciata. I sincronismi fanno capire all’elettronica del monitor quando ha inizio e quando ha fine una riga e quando ha inizio e fine un fotogramma. I segnali di sincronismo (blanking intervals) vengono inseriti in periodi di “silenzio” del segnale video. I blanking intervals verticali (Figura 1) determinano l’inizio e la fine di un fotogramma mentre i blanking intervals orizzontali determinano l’inizio e la fine di una singola linea. In Figura 2 è schematizzato un blanking interval orizzontale presente nel segnale video prima e dopo ogni linea TV.

Figura 6: blanking interval verticale.

Figura 1: Blanking interval verticale

 

Figura 7: blanking interval orizzontale.

Figura 2: Blanking interval orizzontale

Esso è composto dal segnale di chiusura della linea TV precedente (Back Porch) e dal segnale di inizio della linea TV successiva (Front Porch) tra i quali è racchiuso il segnale di sincronizzazione orizzontale. Il blanking interval orizzontale segnala la fine di una linea TV e l’inizio di una nuova. Ricevuto il “Front Porch” il monitor inizia a scandire la linea sul monitor da sinistra a destra. Ricevuto il “Back Porch” termina la linea e ricomincia da sinistra con una nuova linea. Per produrre immagini stabili, il monitor TV legge il segnale rispettando le sincronizzazioni. Se, per esempio, il monitor interpretasse l’immagine senza rispettare correttamente la sincronizzazione orizzontale, il video ci apparirebbe diviso in 2 parti, a sinistra si vedrebbe la fine del fotogramma precedente e a destra l’inizio del fotogramma successivo, mentre al centro noteremmo una banda nera verticale dovuta al blanking interval stesso. Analogamente, se questo problema si avesse sulla sincronizzazione verticale (inizio/fine di ogni fotogramma) lo schermo sarebbe diviso in una parte alta ed una bassa da una linea nera orizzontale. Nel sistema PAL la frequenza di sincronizzazione verticale ha un valore fisso di 50 Hz. La frequenza di sincronizzazione orizzontale (cadenza dei Blank Intervals orizzontali che definiscono ogni linea TV) in PAL è 15.625 Hz, valore che è la conseguenza di un calcolo ben preciso. La frequenza verticale di 50 Hz è scelta per coincidere con la frequenza di rete della corrente alternata. In un secondo sono trasmessi quindi 50 blank intervals verticali (quindi 50 immagini). Ci vogliono due immagini successive (2 fields) per fare un fotogramma da 625 linee TV, quindi ognuna delle immagini (fields) contiene 312,5 linee TV.

Poiché in un secondo devono essere trasmessi 50 fields da 312,5 linee ciascuno, quindi un totale di 312,5x50=15625 linee TV, per poter definire tante linee TV (15625 appunto) in un secondo sono necessari altrettanti blank intervals orizzontali da cui la necessità di una frequenza orizzontale pari a 15625 Hz. Il segnale in bianco e nero è ottenuto dalla somma pesata delle componenti primarie (0.11% blu + 0.30% rosso + 0.59% verde). In questo modo si forma il solo segnale video bianco e nero (ampiezza 0.7V). A questo viene sommato il sincronismo orizzontale e verticale di quadro e semiquadro (ampiezza -0.3 volt), ottenendo un segnale bianco e nero di 1 Volt. Il colore viene trasmesso trasmettendo i segnali differenza del rosso e del blu (il verde si ottiene sottraendo rosso e blu dalla luminanza) attraverso la modulazione in quadratura di una portante (carrier) a 4.43361975 MHz. I segnali di differenza del rosso e del blu sono derivati dalla sottrazione, dagli stessi rosso e blu, della luminanza e sono indicati come RY e B-Y (ridenominati con V ed U). La modulazione in quadratura si ottiene utilizzando due portanti derivate dallo stesso oscillatore ma sfasate tra loro di 90° (quadratura). Una portante viene modulata dalla differenza del blu, l’altra sfasata di 90° viene modulata dalla differenza del rosso. La somma dei due segnali modulati in ampiezza dà origine al segnale colore. Il burst colore si trova in una zona del segnale corrispondente ad una zona non visibile della riga visualizzata sullo schermo che si trova immediatamente dopo il termine dell’impulso di sincronismo di riga. I circuiti di decodifica separano dal segnale Video- Composito il segnale di crominanza ed il segnale di luminanza ed i segnali di sincronismo verticale ed orizzontale. Un circuito colore ricostruisce i segnali della portante in quadratura e ricava le differenze colore B-Y ed R-Y. Sommando a questi segnali la luminanza ricava, rispettivamente, Y+(BY)= B e Y+(R-Y)=R. Attraverso la sottrazione di R e di B da Y, si ricava in fine il verde (G). Le componenti RGB vengono quindi visualizzate sullo schermo in modo da ottenere l’immagine a colori.

RGB

L’RGB è un segnale Component cioè a componenti separate. L’immagine è codificata direttamente nei tre colori primari rosso(R), verde(G) e blu(B). Esso discende da un modello cosiddetto additivo basato su tre colori: rosso (Red, lunghezza d’onda di 700 nm), verde (Green-546.1 nm) e blu (Blue-455.8 nm), da cui il nome RGB. All’origine di questo modello di colori vi è l’osservazione per cui un’immagine può essere scomposta, attraverso filtri o altre tecniche, in questi colori base che hanno il pregio per cui miscelati sono in grado di generare quasi tutti i colori dello spettro visibile. Unendo i tre colori con la loro massima intensità si ottiene il bianco. Per trasmettere un segnale RGB analogico sono necessari da tre a cinque connettori a seconda di come sono trasmessi i sincronismi. Le informazioni di sincronismo (verticale e orizzontale) possono essere infatti miscelate ad uno dei colori primari, tipicamente il verde (RGBs) oppure separati da essi. Il segnale RGBs è stato introdotto sui connettori SCART: al segnale RGB composto dai tre segnali colore è aggiunto un quarto segnale che trasporta il sincronismo (H+V) sul pin dedicato al segnale Video-Composito. Esiste anche la versione del segnale RGB denominata RGBHV in cui i due sincronismi sono su cavi separati per cui sono necessari cinque cavi. Da un punto di vista di collegamento è in pratica quello che si trova nella VGA di un PC. L’RGB può presentarsi in realtà anche in forma digitale come nelle connessioni DVI-I e HDMI. RGsB: si trasmette il colore RGB con tre canali; solamente il sincronismo composito viene posto sul verde (G); RGBS: si trasmette il colore RGB con quattro canali, il quarto è utilizzato per il sincronismo composito; RGBHV: si trasmette il colore RGB con cinque canali, il quarto è utilizzato per il sincronismo orizzontale (H) e il quinto per il sincronismo verticale (V) (utilizzata ad esempio sulle interfacce Video Graphics Array e Digital Visual Interface). Il segnale Component RGB risulta migliore delle altre connessioni analogiche poiché trasporta i tre segnali su canali separati (Figura 3). Può trovarsi su videocamere (HD) su DVD Player e Recorder, videoproiettori e naturalmente televisioni (sia plasma che CRT).

Figura 9: interfaccia RGB.

Figura 3: Interfaccia RGB

CAVI ED ADATTATORI

L‘S-Video può essere trasmesso anche attraverso la connessione SCART, tuttavia, non essendo stata prevista nello standard originale, non è supportato da tutti i dispositivi compatibili con la SCART. Inoltre, l’S-Video e l’RGB sono mutuamente esclusivi attraverso la SCART, dato che l’S-Video sfrutta i pin destinati all’RGB. Esiste la possibilità di vedere i colori su periferiche che non supportano l’S-Video attraverso SCART. Ciò si ottiene, in maniera non proprio ortodossa, cortocircuitando i pin 15 e 20 della presa SCART. Se si ha abbastanza dimestichezza con il saldatore, alcuni cavi e adattatori possono anche essere costruiti artigianalmente come indicato di seguito.

ADATTATORE DA S-VIDEO A VIDEO COMPOSITO

Da un punto di vista pratico è abbastanza semplice convertire il segnale S-Video in Video-Composito: è sufficiente comporre e filtrare in maniera opportuna i due segnali. Ovviamente, la conversione non può aumentare la qualità, ma rende possibile il collegamento quando si ha un dispositivo che fornisce un segnale S-Video ed un altro che accetta in ingresso unicamente segnale Video-Composito. E’ chiaro anche che, essendo l’S-Video un segnale che trasporta unicamente l’informazione video, l’eventuale segnale audio deve essere trasmesso con un collegamento ulteriore. Un adattatore come questo funziona chiaramente sia con standard video PAL che NTSC. Convertire il segnale S-Video (Y/C) in Video-Composito (Y+C) significa unire le due componenti (luminanza e crominanza) in un unico segnale, tuttavia, non si possono semplicemente collegare insieme i relativi pin. Lo schema di Figura 4 mostra un convertitore passivo che in realtà non rispetta le impedenze ma che tuttavia dà un risultato di conversione più che accettabile. Dal momento che impiega, a parte i connettori, un solo componente aggiuntivo, costituito da una capacità di valore abbastanza contenuta (470 pF, voltaggio: sufficienti 10..15V) può essere realizzato nascondendo la piccola capacità all’interno dello stesso connettore.

Figura 10: adattatore da S-Video a Video composito.

Figura 4: Adattatore da S-Video a Video-Composito

Il valore di capacità, solitamente pari a 470 pF, può anche essere sostituito da valori leggermente differenti, tuttavia, è necessario tenere conto che valori troppo elevati rischiano di avvicinare il comportamento del collegamento, nei confronti del segnale, a quello di un cortocircuito con una progressiva attenuazione del segnale Video-Composito risultante. Se l’adattatore non è abbastanza corto è opportuno utilizzare un cavo coassiale con impedenza 75 ohm, in modo da poter raggiungere lunghezze anche di molti metri. Volendo rispettare più correttamente le impedenze è possibile utilizzare adattatori attivi a transistor che miscelano il segnale di luminanza con quello di crominanza. Questi adattatori non risolvono in ogni caso eventuali incompatibilità tra lo standard video della sorgente e del ricevitore. Se per esempio una scheda con uscita TV di un PC esce con un segnale di tipo NTSC ma il televisore accetta solo segnali in standard PAL, otterremo una incompatibilità.

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