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O sistema PAL e o NTSC (TEL027)

Perto da definição de um padrão para a TV digital, os televisores e videocassetes mais antigos ainda operam com os dois sistemas mais tradicionais NTSC e PALM. Por que adotamos o sistema PAL-M em nosso país é algo desconhecido pela maioria dos leitores, mesmos os profissionais que trabalham continuamente com televisão em cores. Não entrando em aspectos políticos, que não interessam no momento ao nosso público, nosso objetivo é explicar os motivos técnicos que permitem dizer que, para a transmissão de sinais em cores o sistema PAL tem diversas vantagens em relação ao NTSC. Neste artigo, em que abordamos alguns aspectos históricos que envolvem o aparecimento dos dois sistemas, também analisamos as vantagens e desvantagens de cada um deles, levando aos leitores conhecimentos técnicos bastante importantes.

 

O sistema NTSC, criado originalmente nos Estados Unidos para substituir o antigo sistema CBS (que utilizava recursos mecânicos, bastante incômodos) foi oficialmente adotado nos Estados Unidos no dia 17 de dezembro de 1953 e tem por principais características a sua simplicidade e a sua compatibilidade.

A simplicidade significou a possibilidade de se fabricar televisores de baixo custo e portanto acessíveis a muitas pessoas.

A compatibilidade significou que todos os televisores em branco e preto fabricados anteriormente e mesmo depois da adoção do sistema poderiam receber e reproduzir as mesmas imagens, somente não tendo as cores.

 

COMO AS CORES SÃO TRANSMITIDAS NO NTSC

Nesse sistema, o canal cont‚m a portadora de imagem modulada em amplitide com a faixa lateral superior completa e a faixa inferior residual e a portadora de som modulada em frequência, exatamente como no canal padrão de TV monocromática.

No entanto, além desse sinais, o canal NTSC contém a informação de crominância que é transmitida de forma diferencial.

 

Como as cores são transmitidas no NTSC.
Como as cores são transmitidas no NTSC.

 

Em lugar de usar os sinais (B-Y) e (R-Y), são usados dois outros sinais denominados I e Q que são obtidos pela composição dos sinais originais (B-Y) e (R-Y) conforme mostra a figura 2.

 

Utilizando os sinais I e Q.
Utilizando os sinais I e Q.

 

Esses sinais I e Q, carregam, portanto, a informação em cada instante sobre a cor com que deve ser reproduzido cada ponto da imagem.

Conforme podemos ver pelo gráfico as frequências principais dos sinais são mantidas, ficando a subportadora de crominância separada de 3,58 MHz (aproximadamente) da portadora de v¡deo.

Evidentemente, como sabemos as cores são obtidas pela informação correspondente a três cores primárias, e no entanto, são transmitidos apenas dois sinais.

O que ocorre é que o terceiro pode ser obtido diferencialmente: o que falta da soma dos dois para se completar 100% ‚ o sinal correspondente é justamente terceira cor.

Assim, com dois sinais apenas, I e Q podemos recompor os três sinais de vídeo que acionam os três canhões do cinescópio em cores.

Conforme podemos observar, a fase dos sinais I e Q ao serem transmitidos é que representa a cor (matiz) que deve ser reproduzida, enquanto que a intensidade representa a saturação.

Isso significa que, para termos a reprodução das cores de forma exata, a transmissão e a recepção dos sinais não introduzir ter alterações importantes nessas duas grandezas.

Para que o leitor entenda que tipo de problemas podem ocorrer na recepção vamos analisar de maneira simples como esse sinais são recuperados.

Como a subportadora não é transmitida, para a demodulação é necessário gerar no receptor um sinal de mesma frequência e fase do sinal da portadora original suprimida.

Esse sincronismo é feito pela salva de subportadora ou sinal burst que faz com que os sinais I e Q obtidos tenham amplitudes e fase de acordo com o original. O processo de separação desses dois sinais recebe o nome de demodulação síncrona.

Tudo seria perfeito, se os sinais que saem do transmissor chegassem a este circuito sem qualquer alteração.

No entanto, enfrequecimento do sinal devido a refrações e reflexões em obstáculos podem afetar a fase dos sinais I e Q e isso tem efeitos sobre a reprodução de cores nos televisores.

 

OS EFEITOS DA MUDANÇA DE FASE

Tomemos como exemplo o gráfico que representa um ponto de imagem vermelho transmitido no sistema NTSC. O vetor OR representa este sinal e seus componentes I e Q são dadas pelas projeções desse vetor nos eixos correspondentes, conforme mostra a figura 3.

 

O vetor OR
O vetor OR

 

O ângulo de fase deste sinal é alfa (a), medido, por convenção, a partir do eixo I.

Vamos supor que na propagação do transmissor até o receptor, este sinal tenha um certo deslocamento de fase, chegando da forma indicada na figura 4.

 

O deslocamento de fase.
O deslocamento de fase.

 

O deslocamento indicado faz com que as componentes I e Q obtidas a partir do novo vetor não gerem mais um ponto vermelho. O novo vetor OM est agora na região do magenta e o ponto que deveria ser vermelho tem sua cor alterada.

Observamos que o comprimento do vetor também foi alterado, o que significa que a saturação ou pureza da cor sofreu uma alteração.

Evidentemente, existe uma certa tolerância para as mudanças de fase, já que, como o ouvido, o olho humano não consegue fazer distinções de cores muito próximas.

Existem normas que fixam em 10% o desvio máximo de fase que pode ser tolerado na reprodução das cores, mas a maioria das pessoas não consegue distinguir desvios de até 5%.

Os telespectores mais tolerantes, entretanto admitem desvios de até 12% no ângulo de fase, sem problemas.

Evidentemente, nada mais desagradável num programa de TV do que ver tomates em cor magenta, ou ainda um rosto pálido de um apresentador se tornando avermelhado ou alaranjado!

Esta deficiência do sistema NTSC, entretanto foi contornada de forma elegante com o advento do sistema PAL, conforme veremos a seguir.

 

O SISTEMA PAL

Quando os Europeus resolveram estudar um sistema de TV em cores já estava a um bom tempo em funcionamento nos Estados Unidos o sistema NTSC. Assim, os pesquisadores tiveram tempo de analisar as deficiências e criar uma nova forma de transmissão que fosse melhor.

Na França os pesquisadores criaram o sistema SECAM que posteriormente também foi adotado na antiga União Soviética.

Nessa época, na Alemanha, o Dr. Walter Bruch da Telefunken anunciava um novo sistema denominado PAL (Phase Alternation Line) que se mostrou muito interessante, já que não era sens¡vel às alterações de cor com a mesma intensidade que o NTSC.

As experiências que foram feitas no sentido de se testar a qualidade do sistema foram decisivas para sua adoção.

De fato, por meio de repetidoras imagens em PAL foram transmitidas de Londres a Moscou, mantendo uma excelente fidelidade.

Diversos países adotaram então o novo sistema para suas transmissäes de TV em cores como a Alemanha, Inglaterra, Áustria, Suiça, Suécia, Diamarca, Itália, Holanda, etc.

No Brasil, o sistema foi adaptado para o nosso padrão existente, daí ser denominado Padrão PAL-M.

Esse padrão foi adotado pela resolução número 20 em 1967 do Conselho Nacional de Telecomunicações (CONTEL).

Mas, por que o sistema PAL pode ser considerado melhor do que o NTSC na transmissão em cores?

 

AS VANTAGENS DO SISTEMA PAL

Conforme vimos, o principal problema que ocorre com a fidelidade da reprodução da imagem em cores no sistema NTSC ocorre devido a defasagem do sinal de crominância que, ao ser demodulado altera os valores dos sinais I e Q que determinam a cor do pixel que deve ser reproduzido.

Nas fases iniciais de desenvolvimento, o sistema PAL utilizava os mesmos sinais diferenciais de crominância I e Q do sistema NTSC, mas a obtenção de tais sinais encarecia os aparelhos.

Assim, os sinais originais (B-Y) e (R-Y) foram utilizados diretamente com os coeficientes constantes de 0,493 e 0,877 sendo seus produtos designados por sinais U e V.

Evidentemente, a partir desses dois sinais, a recuperação do terceiro é simples, não havendo necessidade da sua transmissão.

Na figura 5 temos um gráfico em que mostramos as posições do vetor que representa o sinal de crominância para as diversas cores, em relação aos eixos U e V.

 

Sinal de crominância.
Sinal de crominância.

 

No sistema PAL, diferentemente do sistema NTSC, a cada linha ocorre uma inversão da fase do sinal de crominância V.

Assim, em linhas alternadas temos o sinal com a fase correta e com a fase invertida, processo que dá nome ao sistema.

Essa alternância de fase é feita da seguinte maneira: na varredura de uma linha, os pontos da imagem são explorados e suas cores são transmitidas com os sinais de crominância U e V corretos.

Na linha seguinte, o sinal U se mantém, mas a fase do sinal V é invertida, ou seja, sofre uma rotação de 180 graus. A representação por meio de gráfico na figura 6 mostra o que ocorre.

 

O que ocorre com o sinal U e V.
O que ocorre com o sinal U e V.

 

Lembramos que o tempo de passagem por cada linha de varredura é de 63,5 us, o que significa que pixés adjacentes mas de duas linhas diferentes estão separados no tempo de 63,5 us.

Observe pelo gráfico que na alternância da linha a amplitude dos sinais U e V se mantém, mas o ângulo de fase fica totalmente modificado.

Se, no caminho do transmissor ao receptor não houver nenhum desvio de fase, a recuperação dos sinais que correspondem às cores originais é simples, pois basta inverter nos momentos certos a fase do sinal que está invertido.

Essa função, como a maioria dos profissionais sabe, é executada pela chave PAL que consiste basicamente num multivibrador sincronizado pelo sinal de burst e que aciona um circuito apropriado.

Mas, e se ocorrerem desvios de fase no percurso do sinal até o televisor?

Vamos supor que a área de uma determinada cor focalizada pela câmera seja tal que ocupe algumas linhas de varredura, conforme mostra a figura 7.

 

Exemplo prático.
Exemplo prático.

 

Se o desvio de fase de uma linha que tenha a varredura normal for de um determinado valor que chamaremos de alfa, na linha seguinte, com a inversão de fase, teremos um desvio alfa que será em sentido contrário, conforme mostra a figura 8.

 

Representação gráfica do exemplo.
Representação gráfica do exemplo.

 

Assim, na inversão do sinal, este desvio será tal que compensa o desvio anterior.

Desta forma, se na transmissão original tivermos uma cor vermelha e o desvio na linha normal for para o magenta, na linha de fase invertida o desvio ser para o laranja.

Ora, como os pontos de imagem considerados estão muito próximos (adjacentes) mas em linhas diferentes, nossa visão não os separa mas combina seus efeitos e o resultado ‚ uma coloração que corresponde ao original vermelho, com poucas diferenças.

Em outras palavras, as crominâncias são alteradas de linha para linha em caso de desvio de fases, mas de modo tal que há uma compensação que recompõe a cor original.

Evidentemente, como o desvio de fase provoca uma pequena alteração no valor absoluto do vetor, a saturação não pode ser recomposta, mas os resultados são bem melhores do que os mesmos desvios se ocorrerem no sistema NTSC.

Em resumo, a utilização das inversões de fase do sistema PAL tornam este sistema muito menos sensível aos desvios de fase que ocorrem pelas reflexões dos sinais no percurso da estação até o receptor e outros problemas que podem aparecer.

Mas, não é somente com a inversão de fase que podemos obter uma compensação visual dos efeitos do desvio de fase.

 

A LINHA DE RETARDO

A compensação dos desvios de fase que podem alterar a cor original de uma imagem também pode ser feita eletronicamente com a ajuda de uma linha de retardo.

As linhas de retardo são dispositivos eletromecânicos: elas convertem o sinal elétrico num sinal ultrassônico de mesma frequência que então se propaga pelo material com uma velocidade muito menor e depois de sofrer sucessivas reflexões alcança um microfone, conforme mostra a figura 9.

 

Linhas de retardo.
Linhas de retardo.

 

Neste transdutor, o sinal ‚ novamente recuperado na forma elétrica, mas com um atraso que depende do percurso percorrido pela vibração mecânica.

Dimensionando apropriadamente este dispositivo podemos obter um retardo de 63,5 us que corresponde justamente ao tempo de varredura horizontal ou uma linha.

Isso significa que, passando os sinais de crominância por esta linha e depois por um somador, temos o efeito da combinação de pixeis de linhas sucessivas que a visão consegue perceber, mas de maneira eletrônica.

 

Explicamos melhor:

Vamos supor que o sinal que corresponda ao pixel de uma linha deva ser produzido. Como o sinal deve passar pela linha de retardo, ele chega ao circuito atraso de tal modo a encontrar o sinal da linha seguinte ao qual se soma. Como a linha seguinte no sistema PAL tem a fase invertida, com a soma, o efeito da defasagem é compensado e este sinal é corrigido.

Assim, como cada linha é reproduzida com um certo retardo em relação ao momento em que ela chega ao circuito, dando tempo para a linha seguinte estar presente, esta linha seguinte serve para corrigir as distorções de fase.

Na figura 10 mostramos com vetores representando os sinais o que ocorre.

 

Representação gráfica da linha de retardo.
Representação gráfica da linha de retardo.

 

CONCLUSÃO

O leitor já deve ter percebido de que modo uma pequena diferença na maneira como um sinal ‚ transmitido pode influir na qualidade de imagem na recepção de TV.

Assim, quando lhe perguntarem qual dos dois sistemas é o melhor e houver necessidade de uma explicação fundamentada, o que analisamos nas linhas anteriores certamente lhe serão de grande utilidade.

Nada mais importante para o profissional da eletrônica do que mostrar conhecimentos sólidos do que faz. Não basta saber consertar televisores em cores ou fazer adaptações de sistemas em video-cassetes, video-games e outros apaerelhos: o profissional completo domina o assunto em toda sua amplitude.

Com a chegada da TV digital, novos conceitos que possibilitam a transmissão de imagens muito mais perfeitos estarão sendo adotados, mas mesmo assim os milhões de videocassetes, televisores e games que ainda usarão os velhos sistemas analógicos estarão em uso e o profissional ainda terá serviço com sua manutenção durante muito tempo!

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