Le Signal Video Analogique

Le signal vidéo analogique

jean-philippe muller

Version mai 2002


Sommaire

Le signal vidéo N et B 1) La prise de vue 2) La reproduction de l’image 3) Le principe du balayage entrelacé 4) Amélioration de l’image par balayage à 100 Hz 5) Les signaux de balayage 6) Les signaux de synchronisation ligne et trame 7) Allure des signaux de synchronisation 8) Bande passante du signal vidéo N&B 9) Spectre de la luminance pour une image fixe 10) Spectre de la luminance pour une image animée La couleur dans le signal vidéo 11) Introduction de la couleur et compatibilité N&B 12) Le tube TV couleur 13) Le procédé de codage couleur NTSC 14) Le décodeur NTSC 15) Le procédé de codage couleur PAL 16) Spectres de signaux codés PAL 17) Le décodeur couleur PAL 18) Le procédé de codage couleur SECAM 19) Spectre d’un signal codé SECAM 20) Les préaccentuations dans le standard SECAM 21) Le décodeur SECAM

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1- La prise de vue en N&B

La structure actuelle du signal vidéo est étroitement lié à l’histoire de la télévision, en particulier aux dispositifs de prise de vue et d’affichage de l’image. L’image noir et blanc est analysée en appréciant la luminance (caractère clair ou sombre) des différentes parties qui la composent. Pour arriver à ce résultat, le traitement effectué dans le dispositif de prise de vue est le suivant :

un système de lentilles projette l’image sur l’écran du tube d’analyse un faisceau d’électrons issu d'une cathode frappe la cible par l’arrière le spot est finement concentré et dimensionne ainsi un point d'analyse de luminance ce spot se déplace horizontalement et verticalement pour balayer toute l’image la face arrière du tube est recouverte d’un matériau photosensible ce matériau, au départ du ZnS ou Zn3Sb, a été remplacé par un réseau de photodiodes le courant qui sort de la cathode est proportionnel à cette luminance on recueille aux borne d’une résistance l'amplitude instantanée du signal vidéo

Un balayage linéaire déplace horizontalement le spot. A cette ligne correspond un signaI électrique Y qui reflète, en fonction du temps, la variation de luminance constatée par le spot en se déplaçant.

Arrivé à un bord de la cible. le balayage reprend à la ligne inférieure. Le nombre de lignes empilées est aujourd’hui quasiment un standard et vaut 625 lignes . A la sortie du tube de prise de vue, on dispose donc d'un signal qui retrace ligne par ligne l’évolution des gris d'une mince tranche d'image.

Figure 1. Structure du tube de prise de vues.

Figure 2. Allure du signal de luminance pour une ligne

Ce signal est encadré de tops de synchronisation qui précisent la position des bords gauche et droite de l’écran.

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2- La reproduction de l’image

Une image de télévision est constituée par l’empilage des 625 lignes. Elle est créée par un tube cathodique dont l'écran est balayé régulièrement ligne par ligne par le faisceau.

Le balayage de l’écran par le faisceau électronique est obtenu en déviant ce faisceau par un champ magnétique créé par les bobines de balayage.

Ces bobines ne sont pas circulaires, mais de forme particulière appelée « selle-tore » et sont placées sur le col du tube cathodique.

Le tube est équipé de deux bobines de déviation, l’une assurant la déviation du faisceau dans le sens horizontal et l’autre dans le sens vertical.

Figure 3. Principe du tube cathodique noir et blanc

Figure 4. Principe de la déviation du faisceau par un champ magnétique.

Figure 5. Les bobines de déviation « selle-tore ».

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3- Le principe du balayage entrelacé

Avec une image qui se compose ligne par ligne et non vue par vue comme au cinéma, un sentiment de gêne apparaît pour les zones non encore tramées par le faisceau cathodique qui se traduit par un scintillement. Pour supprimer ce défaut, on divise l’image en deux trames, la trame paire composée par les lignes paires et la trame impaire composée par les lignes impaires et on dessine successivement sur l’écran les deux trames.

Quand l'image est entrelacée le bas de l’image est plus vite tramé et deux fois par image : le scintillement est très atténué sinon supprimé complètement. Le balayage de l'écran se fait - presque - horizontalement à partir du milieu de l'écran, pour la première trame dite impaire. Comme l'image est entrelacée le premier balayage décrit 312,5 lignes, la première demi-ligne constituant la première ligne impaire. Quand le spot arrive au bord inférieur droit, il revient au bord supérieur gauche et la première ligne de la trame paire vient s'intercaler entre la première demi-ligne et la ligne 3. La trame paire se termine par une demi-ligne avant de passer à l'image suivante en commençant à nouveau par le milieu de l’écran et ainsi de suite, image par image.

Ce moyen met en œuvre une fréquence de composition de l'image égaIe à 50 Hz (conforme au réseau alternatif); mais grâce à l'entrelacement la répétition réelle de la trame a lieu à raison de 25 images par secondes ce qui correspond sensiblement au défilement des films cinématographiques 35 mm qui a lieu à 24 images/sec.

Figure 6. Exemple de balayage entrelacé avec deux fois 18,5 lignes

Figure 7. Le balayage entrelacé en télévision.

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4- Amélioration de l’image par balayage à 100 Hz

Avec le balayage standard décrit précédemment, chaque point de l’écran voit passer le faisceau électronique toutes les 40 ms. Pour un écran de taille courante ( 51 cm ) l’écran est balayé à une vitesse de l’ordre de 10 000 m/s, soit 36 000 km/s, ce qui est considérable ! Les photophores doivent l’illuminer de façon quasi instantanée sous l’impact des électrons, et leur durée d’extinction naturelle doit être bien maîtrisée :

si le photophore s’éteint trop vite après le passage du spot, l’image est peu lumineuse et « clignote », ce qui est assez désagréable à l’œil

si le photophore s’éteint trop lentement, on a un effet de rémanence apparaissant lorsque les personnages ou les objets se déplacent rapidement sur l’écran

Le fabricant de tubes cathodiques doit donc trouver le bon compromis entre vitesse de balayage de l’écran ( imposée par le standard 625 lignes, 25 images /seconde ) et rémanence des photophores. Pour améliorer le confort visuel en diminuant le papillotement et en augmentant la luminosité, une solution mise en œuvre dans les téléviseurs « haut de gamme » est le doublement de la fréquence de balayage trame qui passe de 50 Hz à 100 Hz :

dans un téléviseur traditionnel, l’image composée de 2 trames est dessinée en 40 ms. dans un téléviseur 100 Hz, on dessine durant le même temps 4 trames, soit deux images

Chaque photophore est donc excité deux fois plus souvent, ce qui permet d’utiliser des photophores à rémanence relativement courte et élimine tout effet de traînage. L’image est aussi plus lumineuse.

Cela explique la différence de prix relativement importante entre un téléviseur classique et un téléviseur 100 Hz. Les meilleurs téléviseurs 100 Hz actuels n’affichent pas deux fois les mêmes trames, mais font une interpolation entre les trames par calcul numérique , ce qui permet d’avoir des mouvement plus « fluides ».

Figure 8. Photophores à rémanence courte (a) et longue (b)..

Figure 9. Excitation des photophores dans un téléviseur 100 Hz.

L’opération n’est pas simple , puisqu’elle implique les opérations suivantes :

échantillonnage du signal vidéo mise en mémoire du signal vidéo

correspondant à deux trames lecture de la mémoire à une vitesse deux

fois plus élevée balayage horizontal et vertical deux fois

plus rapides

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5- Les signaux de balayage

L’alimentation des bobines de balayage nécessite des circuits particuliers à cause de l’intensité du courant nécessaire et de sa vitesse de variation. Pour le balayage trame, il faut alimenter la bobine de balayage vertical par une rampe de courant de période relativement lente ( 20 ms ). Le bobinage est alimenté par un amplificateur de puissance attaqué par un signal Ve(t) en rampe.

La production de la dent de scie du courant de balayage ligne est beaucoup plus délicate, car la période de la rampe est nettement plus faible ( 64µs ). La production de la rampe utilise l’inductance L de la bobine de déviation. En effet, une bobine d’inductance L alimentée par une tension Vcc est traversée par un courant Il tel que :

dttdILVcc l )(

= soit 0)( ItLVcctI l +=

Les pointes de tension apparaissant lors du blocage du transistor seront utilisées par le transformateur THT pour produire la très haute tension ( quelques 15 à 25 kV) nécessaires pour accélérer les électrons.

Les circuits produisant les rampes de balayage ligne et trame sont des oscillateurs qui fonctionnent en synchronisme avec le balayage de la caméra de prise de vue. C’est la raison pour laquelle le signal vidéo contient des signaux de synchronisation ligne et trame. Dans un téléviseur 100 Hz, les rampes de balayage sont deux fois plus rapides.

Figure 11. Production du signal de balayage ligne.

Figure 10. production du signal de balayage trame.

Figure 12. Extraction des signaux de synchronisation du signal vidéo..

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6- Les signaux de synchronisation lignes et trames

Chaque ligne doit débuter au même endroit de l'écran, c'est-à-dire à gauche. Par ailleurs, les lignes doivent apparaître en même temps qu'arrivent les signaux de luminance Y. Le balayage des lignes est créé par l’oscillateur ou base de temps « ligne » qui génère un courant en dent de scie circulant dans le déviateur du tube cathodique. Cette base de temps est synchronisée par des tops qui apparaissent périodiquement dans le signaI de luminance appelés tops de synchro lignes.

Ces tops lignes, de largeur 4,7 µs, resteront présents en permanence pour assurer un fonctionnement correct de l’oscillateur ligne. Pour synchroniser l’oscillateur de balayage trame, il faut insérer au début de chaque trame des tops de synchronisation trame, différents des tops lignes pour que le circuit de séparation des tops puisse faire la différence. Sur les 625 lignes, seules 550 environ sont effectivement utilisées pour l’image. Entre deux trames on peut donc mettre en place une salve de forme particulière qui servira de top trame. Ce top trame est transmis par inversion momentanée du rapport cyclique des tops lignes . 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 maintenir la synchro ligne tout en insérant des tops trame qui ont une largeur de 150 µs . Les lignes inutilisées entre la fin d’une trame et le début de la trame suivante permettent non seulement d’insérer le top trame, mais aussi au spot de remonter sur le haut de l’écran ( phase de décroissance du courant de balayage).

Figure 13. Signal vidéo correspondant à une ligne d’une image composée de 8 barres verticales.

Figure 14. Le top de synchronisation trame.

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7- Allure réelle des signaux de synchronisation

A la fin d’une trame paire, le signal vidéo comprend 5 impulsions de pré-égalisation de largeur 2,3 µs avant la séquence correspondant au top trame proprement dit.

Les 5 impulsions « normales » de largeur 27 µs suivant les impulsions de pré-égalisation constituent la séquence du top trame et sont suivies de 5 impulsions de post-égalisation.

Il y a 2 façons de distinguer une trame paire d’une trame impaire :

la durée entre la dernière impulsion de post-égalisation et le premier top ligne ( qui peut être de 32 ou 64 µs )

la trame paire commence par une demi-ligne et la trame impaire par une ligne entière

Figure 15. Signal vidéo à la fin de la trame paire.

Figure 16. La séquence « top trame ».

Figure 17. Allure du signal vidéo entre les trames.

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8- Bande passante du signal vidéo N&B

A chaque valeur du signal vidéo correspond une nuance de gris comprise entre le blanc et le noir. Il faut souligner que la valeur de cette luminance évolue le long d'une ligne comme s'il s'agissait d'une suite de points placés côte à côte. Plus le point est fin, plus l’image a de définition : on peut rapprocher cette notion de celles développées en imprimerie pour reproduire les photographies. celles-ci sont constituées d'une juxtaposition de points plus ou moins gris.

Ce rapprochement nous permet de définir la fréquence vidéo la plus forte - c'est-à-dire la période la plus courte - nécessaire pour « impressionner » sur l’écran le point le plus petit décelable par un observateur placé à une certaine distance d'un écran TV de dimensions connues . Dans cette représentation sont vus côte à côte un point brillant puis un point noir, ce qui se traduit par un signal de luminance sinusoïdal de fréquence maximale : fvmax = 3,3 MHz Ce calcul simple donne la bande vidéo en dessous de laquelle il ne faut pas tomber pour que l’image soit visible. Mais, si elle est visible, elle n'est pas agréable car les contours ne sont pas tranchés.

Il faut toutefois reconnaître avec honnêteté que le télés20 % de bande en moins, ce qui donne des largeurs dstandards à 5,5 MHz d’inter porteuses et le standard a

Figure 18. Relation entre image à l’écran et forme du signal vidéo.

Figure 19. Les composantes de fréquence élevée dans la mire.

Le standard français permet une largeur maximale de 6,5 MHz pour le spectre vidéo.


pectateur moyen n'est pas affecté par 15 à e 5,1 à 5,4 MHz justifiant à la fois tous les

nglais de 6 MHz d'inter porteuses.

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9- Spectre de la luminance pour une image fixe

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 fH = 15625 Hz les trames se répètent toutes les 20 ms, soit une fréquence de répétition de fV = 50 Hz

Cette périodicité se retrouve dans le spectre du signal vidéo par l’apparition de raies caractéristiques des signaux périodiques. Ce spectre est constitué par :

une série de raies principales (liées aux lignes) aux multiples de fH qui décroissent et deviennent négligeables au-delà de l’harmonique 300 environ ( fvmax = 5 MHz)

des raies secondaires (liées aux trames) entourant chaque raie principale écartées de fV = 50Hz et décroissant rapidement

En général la résolution de l’analyseur n’est pas suffisante pour séparer les raies écartées de 50 Hz et le spectre d’un signal vidéo noir et blanc, visualisé sur la gamme 0-5 MHz, a simplement une allure décroissante.

Figure 20. Structure de raies théorique du spectre de luminance.

Figure 21. Allure réelle du spectre d’un signal vidéo issu d’une caméra N&B.

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10 - Spectre de la luminance pour une image animée

Si on observe plus finement le spectre du signal vidéo précédent, on peut mettre en évidence les raies liées à la fréquence ligne espacées de 15625 Hz .

Si on se concentre sur l’allure du spectre autour d’une de ces raies, on arrive à deviner la structure des raies liées à la fréquence trame.

Lorsque l’image est une image animée, les raies précédentes s’élargissent légèrement, mais l’ensemble du spectre garde une structure de raies.

En conclusion, nous pouvons dire que le spectre de la luminance :

a assez nettement un caractère de spectre de raies contient des composantes jusqu’à 5 ou 6 MHz ces composantes décroissent assez régulièrement

Figure 24. Elargissement des raies si l’image est animée.

Figure 22. Zoom sur le spectre de la figure 21.

Figure 23. Zoom sur le spectre de la figure 22.

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11- Introduction de la « couleur » et compatibilité N&B

La technique de la télévision couleur repose sur un grand nombre de travaux scientifiques dont on peut citer les plus importants :

le médecin et physicien anglais Thomas Young ( 1773-1829 ) met en évidence le fait que la rétine de l’œil perçoit les couleurs par une multitude de petits groupes de trois cellules en forme de « cônes » sensibles à la lumière rouge, bleue ou verte

le physicien James Clark Maxwell (1931–1879 ), en utilisant 3 rayons rouge, bleu et vert avec des intensités variables, réussit du blanc et les couleurs complémentaires (magenta, cyan et jaune) : c’est la synthèse additive des couleurs

le physicien allemand Hermann von Helmholtz ( 1821 – 1894 ) met en évidence le fait que chaque couleur est déterminée par 3 paramètres : la luminance, la saturation et la teinte

Toutes ces découvertes ont conduit à choisir, pour la télévision couleur, d’analyser l’image en fonction des 3 couleurs rouge, vert et bleu . C’est aussi ces 3 couleurs qui seront transmises, avec des standards différents, vers le récepteur TV et affichés sur le tube cathodique. Le dispositif de prise de vue est donc équipé de 3 tubes d’analyse et de filtres permettant de séparer les 3 couleurs RVB.

Ajouter de la couleur à une image TV suppose la possibilité de recevoir celle-ci en noir et blanc sur les postes qui ne peuvent pas capter la couleur Cela s'appelle la compatibilité. Or en dosant judicieusement les lumières, on peut obtenir à peu toutes les nuances de couleurs avec l'intensité désirée, et même un blanc très acceptable par la combinaison : Y = 0,3 R + 0,11 B + 0,59 V En conséquence, il suffit de composer les signaux délivrés par trois tubes de prise de vue munis des filtres rouge, vert et bleu pour reconstituer le signaI Y qui n’est rien d’autre que le signal de luminance de la télévision noir et blanc. Dans une émission de TV couleur, on transmet donc le signal de luminance Y, un signal lié à la couleur rouge : R - Y, et un signal lié au bleu : B - Y. On peut facilement retrouver, à la réception, les composantes R, V et B nécessaires au tube : R = ( R - Y ) + Y B = ( B - Y ) + Y V = 1,695 Y - 0,5 R - 0,186 B On n'insère pas directement les signaux de chrominance R et B, mais la différence entre la luminance et le signaI couleur. Ainsi l'amplitude du résultat est faible devant celle de la luminance et cet aspect contribue encore à protéger cette dernière des moirages quand il s’agit d’observer l'image en noir et blanc.

Figure 25. Structure du tube de prise de vue couleur.

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12- Le tube TV couleur

Partant du principe qu'il faut trois couleurs d’intensité lumineuse variable pour reconstituer toutes les nuances du spectre visible, il parait justifié de placer trois canons à électrons dans un même tube cathodique. Chaque canon doit s’intéresser à une couleur fondamentale et à une seule et le faisceau correspondant doit frapper l'écran en des endroits précis où la luminescence est à la même couleur.

Une unité de convergence concentre les trois faisceaux de telle sorte qu'ils se croisent exactement dans des trous ou fentes pratiquées sur un masque séparateur. En se croisant les faisceaux vont frapper des pastilles de luminophore disposées verticalement en ligne, les vertes étant légèrement décalées dans certaines technologies. Actuellement la solution des canons coplanaires à présentation en ligne des faisceaux (technique PIL ou « Précision IN LINE ») semblerait retenue le plus souvent. A côté de ce tube cathodique de structure classique , on voit apparaître peu à peu des écrans dits « à plasma » qui ont l’avantage d’être beaucoup moins encombrants. L’application d’une tension élevée entre deux électrodes placées dans une enceinte contenant un gaz sous faible pression crée une ionisation du gaz et permet la circulation des électrons et des ions. Il est possible d’utiliser ces électrons pour exciter des photophores

Pour un écran couleur, on peut mettre des photophores R, V et B en bandes verticales en triplant les lignes d’adressage vertical.

Figure 26. Principe du tube à 3 canons : canons en triangle et masque à trous, canons en ligne et masque à fentes

Figure 27. Principe du tube à plasma monochrome.

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13- Le procédé de codage couleur NTSC

Comme il faut rajouter les deux signaux de couleur rouge R-Y et bleue B-Y et qu'il n'y a qu'une seule voie chrominance, un codage doit être entrepris. C’est là qu'intervient le « système » et son originalité propre. Dans tous les systèmes de télévision couleur, le signal de chrominance est placé dans le haut du spectre de luminance pour éviter d’augmenter l’encombrement spectral par rapport au signal N&B. L’information de chrominance est portée par une sous-porteuse « chroma » modulée par le signal de couleur. Dans le système américain NTSC ( National Television System Comitee ), les signaux rouge et bleu modulent (en modulation d’amplitude sans porteuse) deux sous-porteuses chrominance de même fréquence fc = 3,579545 MHz et déphasées de 90 degrés. La porteuse couleur modulée en amplitude par les signaux R et B s’écrit : c(t) = E.(R-Y) cos(ωct) + E.(B-Y) cos(ωct+π/2)

Le signal c(t) complet est la superposition de 2 sous-porteuse de ce type, l’une modulée par R-Y et l’autre par B-Y.

Figure 29. Production de la sous-porteuse couleur NTSC.

luminance chrominance

Figure 28. Allure générale du spectre du signal vidéo couleur.

modulateur AM-DSB

additionneur

modulateur AM-DSB

R-Y

cos(ωct)

B-Y

cos(ωct + π/2)

c(t)

Figure 30. Allure de la sous-porteuse couleur NTSC modulée.

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14- Le décodeur NTSC

Pour extraire les couleurs de la sous-porteuse modulée, on utilise deux démodulateurs synchrones avec des réinjections de porteuse décalées de 90 degrés pour séparer les deux composantes R et B. Après multiplication par les signaux synchrones et en quadrature, on obtient: E.(R-Y) cos(ωct). cos(ωct) = 0,5 E.(R-Y) (1 + cos(2ωct)) et après filtrage passe-bas : 0,5.E.(R-Y) De la même façon on pourra extraire le signal B-Y. Dans le système NTSC, les deux couleurs R-Y et B-Y sont présentes simultanément dans le signal vidéo et donc transmises simultanément par voie hertzienne dans le cas d’une diffusion TV. Malheureusement des déphasages parasites peuvent s’introduire au cours de la transmission radio, ce qui rend plus délicat la démodulation synchrone. Ce système - qui a le mérite d'exister depuis fort longtemps - présente donc le défaut de dériver en teinte si un déphasage intempestif se produit, d’où l’appellation humoristique Never The Same Color! D’un point de vue pratique, la démodulation synchrone des deux sous-porteuses nécessite un signal synchrone avec la sous-porteuse. Celui-ci est obtenu en synchronisant un oscillateur présent dans le récepteur à l’aide de salves à la fréquence fc et placées sur le palier arrière du top ligne :

C’est en détectant la fréquence de cette salve d’identification à 3,58 MHz que les dispositifs audiovisuels (téléviseur, magnétoscope …) reconnaissent que le signal vidéo est au standard NTSC.

Figure 32. Burst ou salve de synchronisation en NTSC.

multiplieur

filtre passe-bas

cos(ωct)

multiplieur

filtre passe-bas

cos(ωct + π/2)

R-Y

B-Y

c(t)

Figure 31. Structure du décodeur NTSC.

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15- Le procédé de codage couleur PAL

L'amélioration du procédé PAL ( Phase Alternation by Line) développé en Europe par rapport au NTSC réside dans la compensation de phase : elle consiste à inverser une ligne sur deux la phase de la porteuse Rouge. Si un décalage de phase intempestif se produit on constate que la porteuse est un peu en avance sur sa position normale sur une ligne et symétriquement en retard la ligne suivante. La fréquence de la sous-porteuse PAL est de fc = 4,43361875 MHz. L’oscillogramme d’un signal PAL ressemble très fortement à celui d’un signal NTSC, simplement la salve d’identification est à 4,43 MHz.

D’un point de vue spectral, le spectre de la luminance est en gros une succession de raies espacées de la fréquence lignes et la fréquence de la sous-porteuse couleur est choisie à une valeur telle que les raies du spectre « couleur » tombent entre les raies du spectre « luminance ».

0n y parvient aisément avec les systèmes de télévision NTSC (USA) et PAL (RFA) car les sous-porteuses chrominance y sont modulées en amplitude par l’information couleur ; les bandes latérales sont immuables et restent intercalées entre les harmoniques du spectre vidéo sans se gêner les unes les autres.

Figure 33. Production de la sous-porteuse couleur PAL.

modulateur AM-DSB

additionneur

modulateur AM-DSB

R-Y

±cos(ωct)

B-Y

cos(ωct + π/2)

c(t)

Figure 34. Oscillogramme d’un signal vidéo couleur PAL.

Figure 35. Positions des raies de luminance et de chrominance.

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16- Spectre de signaux codés PAL

Le signal vidéo PAL correspondant à une image entièrement noire ne contient plus que les signaux de synchronisation et les salves d’identification.

Sur le spectre, on voit alors apparaître la contribution de la salve à 4,43 MHz.

Pour un signal vidéo correspondant à une image animée, le paquet spectral de chrominance se déforme, comme les raies correspondant au signal de luminance.

Figure 38. Spectre du signal correspondant à une image normale.

Figure 36. Oscillogramme d’un signal vidéo correspondant à une image noire.

Figure 37. Spectre du signal correspondant à une image noire.

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17- Le décodeur couleur PAL

A cause de l’inversion de phase une ligne sur deux, la structure du décodeur PAL est un peu plus complexe que celle du décodeur NTSC. A la réception, on peut ajouter après les démodulateurs synchrones une voie vidéo munie d’une ligne à retard de durée égaIe à 1 ligne (64 µs). On compose alors le signaI direct et celui retardé de telle sorte qu'on en dégage le vrai signaI couleur.

Figure 39. Structure du démodulateur PAL.

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18- Le procédé de codage couleur SECAM

Le système français SECAM ( Séquentiel A MEMoire ) paraît plus simple, les informations se succédant au lieu d'exister simultanément comme dans les autres procédés de codage. Ainsi, sur une ligne on adresse le signaI rouge, sur la suivante on place le bleu, la prochaine ligne voit revenir le signaI rouge et ainsi de suite une ligne sur deux. Ces signaux apparaissent dans le signal vidéo sous la forme de deux porteuses différentes, modulées en fréquence sur une plage assez large : ± 1,2 MHz environ, à cause de la préaccentuation subie par les signaux couleurs. Les valeurs de sous-porteuses chrominance choisies sont: fr = 4,40625 MHz et fb = 4,2500 MHz sur lesquelles vont s'accorder les discriminateurs du récepteur.

L’oscillogramme du signal vidéo SECAM montre deux différences par rapport à un signal PAL :

la sous-porteuse couleur est modulée en fréquence, son amplitude reste donc constante les fréquences de la salve d’identification et de la sous-porteuse, changent d’une ligne à

l’autre

Figure 40. Structure du codeur SECAM.

Figure 41. Oscillogramme d’un signal vidéo SECAM.

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19- Spectre d’un signal codé SECAM

Dans le procédé SECAM, l'interpénétration des spectres des signaux de luminance et de chrominance n'est plus possible car la sous-porteuse est modulée en fréquence par I'information couleur. Or le spectre du signal FM modulé par les signaux de couleur R-Y ou B-Y n’est plus un spectre de raies mais un spectre continu et de ce fait interfère avec les raies du spectre de luminance. Pour laisser la place à la chrominance, la bande passante du signal de luminance a donc été réduite à 3,8 MHz au lieu des 6 MHz.

Du fait qu’une ligne utilise une des 2 couleurs de la ligne précédente, une image couleur possède, a priori, une définition deux fois plus faible qu'une image émise en noir et blanc mais l'agrément de la couleur rattrape ce défaut. Il faut aussi reconnaître que la majeure partie des téléspectateurs ne constate pas de gêne quelconque quand on réduit à moins de 5 MHz la trame colorée à 625 lignes, gêne qui se remarque par contre quand on ôte la couleur et laisse l'image en noir et blanc. Par ailleurs, on limite volontairement l'excursion de fréquence des deux sous-porteuses puis on décale celles-ci différemment selon la couleur et ce, assez haut dans la bande vidéo et en choisissant des relations de phase et de fréquence telles que l'on minimise au maximum le moirage.

Figure 42. Spectre d’un signal vidéo SECAM.

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20- Les préaccentuations dans le standard SECAM

Pour optimiser la transmission des informations de couleur, le signal chrominance est soumis à une double correction : ⇒⇒⇒⇒ une préaccentuation des signaux R-Y et B-Y avant la modulation FM pour favoriser le haut du spectre chrominance comme pour toute émission radiophonique en modulation de fréquence. Ceci favorise les détails de la trame colorée. et améliore le rapport signal/bruit au décodage.

⇒⇒⇒⇒ une compensation en cloche appliquée aux sous-porteuse couleur modulées dont la correction inverse atténue le souffle ou bruit thermique qu’engendre le type de modulation de fréquence

On retrouve bien-sûr au décodage les filtres de désaccentuation et anti-cloche inverses de ceux utilisés au codage.

Figure 43. Courbe de préaccentuation de la chrominance.

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21- Le décodeur SECAM

Pour récupérer les trois couleurs R, V et B nécessaires au tube cathodique, on utilise le signal de chrominance qui arrive directement sur un discriminateur ( démodulateur FM ) et celui qui a été transmis la ligne précédente et que l'on a conservé en mémoire pendant la durée d'une ligne. Pour ce faire, on utilise une ligne à retard de 64 µs stockant l’information qui arrive alors que la voie directe l'applique sans retard sur un circuit appelé "permutateur". Ce circuit est placé avant les discriminateurs afin de toujours orienter un signaI de même couleur vers le bon discriminateur.

Les liaisons internes du permutateur s'inversent donc à chaque ligne, grâce au commutateur électronique déclenché par la fréquence ligne et qui fonctionne comme une bascule bistable. Après les limiteur-discriminateurs on retrouve le matriçage qui recompose le signaI vert à partir de la luminance Y.

Figure 45. Structure du démodulateur SECAM.

jean-philippe muller version août 2001

Le magnétoscope VHS



Sommaire

1) Les débuts de l’enregistrement magnétique 2) Les premiers magnétoscopes 3) Les bases physiques de l’enregistrement magnétique 4) Compensation de la distorsion liée à la non-linéarité 5) La dynamique de l’enregistrement 6) La tête magnétique et sa sensibilité en lecture 7) L’effet d’entrefer dû aux têtes 8) L’effet d’azimut des têtes 9) Les problèmes liés à l’enregistrement de l’image 10) Le principe des têtes tournantes 11) Le tambour porte-têtes 12) Le format d’enregistrement VHS 13) Utilisation de l’azimut contre la diaphotie 14) L’arrêt sur image et l’avance-retour rapide 15) Le schéma fonctionnel du magnétoscope VHS 16) Les circuits d’enregistrement en PAL 17) Les circuits d’enregistrement en SECAM 18) Les circuits de lecture en PAL et en SECAM 19) Les standards d’enregistrement du son 20) Les circuits d’enregistrement-lecture du son Hi-fi 21) Le signal de contrôle de la synchronisation



1- Les débuts de l’enregistrement magnétique

Les premières intuitions sur une possibilité d'enregistrement magnétique remontent à 1888 où Oberlin Smith suggérait d'utiliser des rubans de tissu dans lesquels serait incorporée de la limaille de fer. L'idée ne prit corps que dix ans plus tard, en 1898, lorsque Waldemar Poulsen présenta le télégraphone qui utilisait un simple fil d'acier défilant devant un électroaimant en série avec une pile et un microphone à charbon. Le fil enregistré repassait devant un électroaimant en série avec un écouteur téléphonique.

Poulsen remarqua un peu plus tard que le procédé s’améliorait en aimantant préalablement le fil dans un sens convenable. Ce sens était à l'opposé de l'aimantation produite à l'enregistrement par le courant continu du microphone à charbon. Déjà, il avait utilisé, sans le savoir, le principe de la polarisation par courant continu. Le système fut repris en 1927 par K. Stille avec, cette fois, l'appoint des amplificateurs. Peu après, le fil fut remplacé par un ruban d'acier, et la machine connut un certain succès auprès des organismes de radiodiffusion.

Deux améliorations essentielles ont conduit à partir de 1940 aux enregistreurs modernes :

l'utilisation des bandes couchées la polarisation par courant alternatif

Le magnétophone a connu un développement rapide, marqué par des réductions de vitesse spectaculaires : 152 cm/s puis 76, 38, 19, etc , jusqu'à 1,2 cm/s. Les formats de bandes (1/4 de pouce à l'origine, soit 6,3 mm) se sont diversifiés vers les grandes largeurs (jusqu'à 25 mm) avec un très grand nombre de pistes. Parallèlement. il y a eu réduction de format et une présentation en cassettes fermées (1963).

Figure 1. Le télégraphone de Poulsen

Figure 2. Un volumineux magnétophone à ruban d'acier Stille Lorenz.



2- Les premiers magnétoscopes

L'enregistrement vidéo est beaucoup plus ancien qu'on ne l'imagine souvent . Aux débuts de la télévision, en 1927, John Baird a enregistré sur disque 78 tours un signaI vidéo correspondant à des images de 30 lignes, à la cadence de 15 images par seconde. Il s'agissait donc d'un vidéodisque mécanique. Ensuite, c'est pratiquement le vide jusqu'au début des années cinquante. La bande magnétique est là, mais les fréquences mises en jeu nécessiteraient des vitesses supérieures à 10 m/s. Un système à pistes longitudinales n'est pas réaliste, bien que certains aient tenté cette méthode. Le premier système viable est apparu en 1956 avec le magnétoscope Ampex à quatre têtes tournantes. L'idée essentielle était, puisque le signaI vidéo est discontinu par nature, d'utiliser une piste elle même discontinue et constituée de segments transversaux inscrits sur une bande large (5 cm) La difficulté est de retrouver ces pistes très étroites (0,25 mm) et d'y maintenir les têtes portées par un disque qui tourne à 250 tours par minute à l'intérieur d'une bande cintrée en forme de gouttière.

On est ensuite passé des pistes transversales à des pistes obliques. Cela a conduit à des chemins de défilement de la bande plus ou moins complexes (chargement en alpha, en oméga, en U, en M). Une grande diversité de formats est actuellement disponible sur le marché grand public, tel le format VHS (Video Home System, apparu en 1975.

Figure 3. Principe du magnétoscope Ampex de 1955

Figure 4. Unité de montage vidéo des années 70



3- Bases physiques de l’enregistrement magnétique

D'un point de vue simple, on peut considérer que l’électron de charge e =1,6. 10 -19 C tourne autour du noyau de l’atome. Ce déplacement de charge produit un petit champ magnétique élémentaire. Pour la plupart des éléments ( cuivre, isolants, azote etc ...) , les champs magnétiques créés par les différents électrons de l’atome s’annulent mutuellement et le matériau est magnétiquement inerte. Pour certains atomes appelés ferromagnétiques ( fer, cobalt, nickel ) , il existe des régions appelées domaines de Weiss dans lesquels les atomes s’alignent sur la direction du champ magnétique dans lequel est placé le matériau. Au champ magnétique excitateur H s’ajoute alors le champ créé par chacun des atomes. Le champ magnétique résultant est beaucoup plus intense que dans les cas des matériaux inertes : B = µµµµo.µµµµr.H avec µr supérieur à 1000 En l’absence de champ magnétique extérieur, chaque domaine est caractérisé par une certaine aimantation qui n’est pas liée à l’aimantation des domaines voisins. Le matériau n’est donc pas magnétisé. Si on applique un champ magnétique extérieur, l’aimantation des domaines tourne progressivement jusqu'à s’aligner sur la direction du champ extérieur. Si le champ extérieur disparaît, la magnétisation des domaines reste dans sa nouvelle configuration et le matériau reste magnétisé : c’est l’effet de mémoire utilisé pour l’enregistrement magnétique. Cette magnétisation rémanente peut être modifiée de 2 façons :

en appliquant un champ magnétique extérieur dans l’autre sens en élevant la température du matériau magnétique au-dessus de son point de Curie

Ce phénomène de mémoire se traduit par une courbe d’enregistrement-lecture qui n’est malheureusement pas linéaire : C'est dans cette non-linéarité que réside la difficulté fondamentale de tous les systèmes analogiques d'enregistrement.

Répartition de l’aimantation des domaines en l’absence de champ extérieur

En présence d’un champ extérieur, l’aimantation des domaines tourne

B

Figure 5. Rotation des domaines magnétiques sous l’effet d’un champ magnétique extérieur.

e(t) : signal enregistré

s(t) : signal lu

Eo

So

Figure 6. Non-linéarité de la courbe enregistrement-lecture.



4- Compensation de la distorsion liée à la non-linéarité

A cause de cette non linéarité, on ne peut pas enregistrer correctement les signaux :

un signal de faible amplitude ne sera pas enregistré à cause de l’effet de seuil un signal de forte amplitude sera écrêté à cause de la saturation du matériau magnétique

Pour éviter la déformation du signal, une solution est l’utilisation de la prémagnétisation. Pour travailler dans la zone linéaire de la caractéristique, on superpose au signal à enregistrer e(t) un signal sinusoïdal (signal bias) dont la valeur crête amène la magnétisation au milieu de la zone linéaire :

Notons que :

ce signal de prémagnétisation doit avoir une fréquence au moins deux fois plus grande que la fréquence maximale à enregistrer.

un simple filtre passe-bas permet de récupérer l’information utile à la lecture C’est cette solution qui est utilisée dans tous les magnétophones et pour la voie son des magnétoscopes. Une deuxième solution consiste à enregistrer le signal en modulation de fréquence .

Notons que :

le signal peut être enregistré à niveau moyen ou fort sans s’occuper de la saturation éventuelle il ne reste plus ensuite qu’à démoduler le signal FM pour récupérer le signal utile.

Dans le magnétoscope VHS, on met à profit les deux techniques puisque le signal vidéo est enregistré à un niveau inférieur à la saturation en FM et sert de prémagnétisation pour le signal de chrominance.

Figure 8. Enregistrement en modulation de fréquence.

Figure 7. La prémagnétisation utilisée dans les enregistrements magnétiques.



5- La dynamique de l’enregistrement

L’allure de la caractéristique de transfert a aussi une influence sur la dynamique, c'est-à-dire l'écart entre le niveau maximal admis sans distorsions excessives et le niveau minimal discernable des signaux parasites bruits et diaphonies. Le niveau maximal admissible est défini par la déformation du signal liée à la saturation de la courbe de transfert et en conséquence apparition de distorsion et d’intermodulation . Le niveau minimal est lié aux problèmes de bruit :

bruit propre du préamplificateur de lecture bruit dû à des inductions parasites sur les têtes en provenance de l’environnement bruit provoqué par la structure granulaire du support magnétique signaux parasites provenant des pistes voisines ( diaphonie ou diaphotie )

Dans un système à plusieurs voies affectées à des signaux différents il peut y avoir passage partiel du signal d'une voie vers une autre voie. Ce phénomène est baptisé diaphonie comme l'indique son étymologie (parler à travers), ce terme est plutôt adapté aux signaux audio et on a créé le mot diaphotie pour les signaux vidéo. Dans le domaine audiofréquence, la dynamique de l'oreille humaine (100 dB) est supérieure à celle de tous les systèmes analogiques connus. La prise de son consiste donc à faire une première compression de dynamique pour descendre au dessous de 60 dB. Cette première compression est définitive, ce qui ne nuit pas au confort d'écoute. On pratique ensuite à l'enregistrement une compression de dynamique suivie, à la lecture, d'une expansion symétrique.

On peut également améliorer la qualité globale en pratiquant la préaccentuation de certaines parties du spectre où le niveau est statistiquement faible comme les aiguës en audiofréquences. La lecture pratique la désaccentuation inverse ce qui affaiblit le bruit apparu dans les mêmes parties du spectre.

-50dB

Niveau de saturation

Niveau du bruit de fond

0 dB

Dynamique utilisable 50 dB

Figure 9. Dynamique utile pour un enregistrement magnétique.

Figure 10. Compression-expansion de dynamique dans l’enregistrement magnétique.



6- La tête magnétique et sa sensibilité en lecture

Une tête magnétique est constituée d'un noyau magnétique et d'un bobinage. On recherche des noyaux de forte perméabilité magnétique afin de bien capter le champ magnétique et de le canaliser efficacement vers le bobinage.

En enregistrement audio analogique, on utilise des alliages de métaux : la perméabilité magnétique est importante, mais ces alliages sont relativement mous (mécaniquement parIant) et, surtout, ils conduisent l'électricité. Les courants de Foucault interdisent formellement leur usage en haute fréquence ( vidéo, numérique). Pour l’audio numérique et la vidéo, on utilise les ferrites qui sont des matériaux isolants qui ne sont donc pas sujets aux courants de Foucault. Certains montent très haut en fréquence. Ils résistent bien à des vitesses importantes (cas des magnétoscopes) car ils sont très durs (mécaniquement parIant) mais fragiles et difficiles à usiner. A la lecture une tête magnétique est avant tout une bobine d'induction. Elle comporte un entrefer qui joue le rôle d’une fente de captage du champ magnétique. En négligeant les " effets de bord ", considérons l'entrefer comme une fenêtre captant un flux magnétique Φ (de l'ordre de 100 nanowebers ). La force électromotrice induite dans le bobinage est :

e = - dΦΦΦΦ/dt Cela veut dire que la tension induite est proportionnelle à la vitesse de variation du flux qui traverse l'entrefer. Si on a enregistré un signal sinusoïdal, le flux capté par la tête de lecture sera sinusoïdal :

ΦΦΦΦ(t) = ΦΦΦΦo.sin(ωωωωt) La tension recueillie par la tête augmente avec la fréquence et s’écrit : e(t) = -dΦΦΦΦ/dt = -ΦΦΦΦo.ωωωωcos(ωωωωt) En d'autres termes, les signaux continus ne passent pas, les signaux de basse fréquence passent mal, les fréquences élevées passent mieux. Il faut donc faire en sorte que les signaux enregistrés aient une composante continue minimale et un contenu basse fréquence assez faible.

Figure 11. Structure d’une tête magnétique vidéo.

amplitude

fréquence Pente 20 dB/décade

Figure 12. Le niveau de la tension lue par la tête augmente avec la fréquence.



7- Effet d’entrefer dû aux têtes

Un système d’enregistrement magnétique a aussi une fréquence fc maximale de travail liée à la largeur de l’entrefer δ et à la vitesse de défilement V de la bande : fc = V/δδδδ Cet effet d’entrefer introduit une chute très rapide du gain après la coupure.

Prenons des exemples pour appréhender les ordres de grandeur :

une cassette audio analogique peut fournir un enregistrement à peu près fiable à 10 kHz. La vitesse de défilement standard étant de 4,75 cm/s, la largeur de l’entrefer doit être de l’ordre du micron.

pour un enregistrement vidéo, la fréquence maximale est de l’ordre de 6 MHz ce qui donne , avec un entrefer de l’ordre du micron, une vitesse de bande de : V = fc.δ = 6.106.1.10-6 = 6m/s

En conclusion, pour un signal enregistré de niveau constant, la courbe représentant le niveau du signal à la lecture en fonction de la fréquence a une allure très irrégulière.

Actuellement on obtient une bande passante utilisable de l’ordre de 10 octaves. En conclusion, on pourra retenir que la courbe de réponse d’un système d’enregistrement analogique est loin d’être plate puisqu’elle dépend :

du principe physique de la lecture ( pente 20 dB/dec) de l’effet d’entrefer ( coupure aux hautes fréquences) de la bande passante de l’électronique d’enregistrement et de lecture des caractéristiques fréquentielles de la bande magnétique de la propreté des têtes ... etc ...

Figure 14. Courbe de réponse d’un système d’enregistrement magnétique analogique.

Figure 13. Aux fréquences élevées, l’entrefer δδδδ est égal ou même supérieur à la période spatiale

A la lecture, la tête est sensible au champ moyen sur la surface de l’entrefer : le signal fourni par la tête est nul si l’entrefer est égal à un multiple de périodes spatiales (a)

le signal fourni par la tête est maximal si l’entrefer est égal à un multiple impair de demi périodes spatiales (b)



8- Effet d’azimut des têtes

Lorsque la tête de lecture n’a pas la même orientation que la tête d’enregistrement ( erreur d’azimutage) la fréquence de coupure diminue très fortement.

Si l’azimut de la tête magnétique a varié d’un angle α entre l’enregistrement et la lecture, la nouvelle fréquence de coupure f’c du système vaut :

)(.

'αtghvf c = avec v : vitesse relative tête/bande et h la largeur de la bande

Exemples : erreur d’azimut de 1° dans un magnétophone ( v= 4,75 cm/s, h = 5 mm) ⇒ f’c = 544 Hz

même question pour un magnétoscope VHS ( v= 4,84m/s, h = 12,7 mm) ⇒ f’c = 21,8 kHz

Ce défaut est moins sensible pour des systèmes dans lesquels les mêmes têtes servent à l’enregistrement et la lecture comme le magnétoscope, mais il réapparaît évidemment dans toute son acuité lorsqu’on lit un enregistrement réalisé sur un autre appareil. Néanmoins, cet effet d’azimutage sera mis à profit dans le magnétoscope pour diminuer la diaphotie entre deux piste lues par deux têtes ayant une orientation différente .

L’enregistrement du signal vidéo se fait alternativement par deux têtes à l’azimut différent. Chaque piste est donc entourée par deux pistes enregistrées avec un azimut différent, ce qui limite la lecture parasite des pistes adjacentes.

Figure 15. Tête sans effet d’azimut (a) et avec erreur d’azimut (b).

Figure 16. Les deux têtes magnétiques sur le tambour du magnétoscope ont des azimuts différents.



9- Problèmes liés à l’enregistrement de l’image Les difficultés liées à l'enregistrement d'un signal de télévision résultent à la fois des problèmes de tout enregistrement sur support magnétique et des propriétés particulières du signal vidéo: ⇒⇒⇒⇒ la courbe d’enregistrement-lecture n’étant pas linéaire, nous avons déjà vu qu’il faut utiliser un signal de polarisation : dans le magnétoscope, c’est une porteuse modulée en fréquence par le signal de luminance qui servira de polarisation, auquel on ajoutera le signal de chrominance.

⇒⇒⇒⇒ il faut enregistrer un signal à large bande possédant des composantes spectrales jusqu'à des fréquences de plusieurs mégahertz (de 20 Hz à 6 MHz) avec un dispositif dont la courbe de réponse est irrégulière

Pour enregistrer une fréquence de 6 MHz avec une tête ayant un entrefer de 1 µm, une vitesse relative tête-bande de 6 m/s au moins est nécessaire. La vitesse relative tête bande va de 4,84 m/s pour les magnétoscopes VHS grand public à plus de 20 m/s pour certains matériels professionnels. ⇒⇒⇒⇒ il faut, en lecture, respecter avec précision et stabilité l'échelle des temps du signal initial, ce qui nécessite une régulation précise de la vitesse tête-bande En effet, l'information restituée est destinée, en définitive, aux tubes images des récepteurs de télévision qui reproduisent l'image au moyen d'un balayage déclenché qu'il ne faut pas perturber :

en télévision noir et blanc, des défauts d'une vingtaine de nanosecondes se traduisent par des instabilités horizontales de l’image à la limite du perceptible .

dans les systèmes PAL (Phase Alternative Line) ou NTSC (National Television System Committee), il faut limiter les erreurs de phase de la sous porteuse à des durées correspondantes de quelques nanosecondes.

en SECAM (Séquentiel à mémoire), une précision sur l'échelle des temps identique à celle demandée pour les signaux noir et blanc est suffisante.

Figure 18. Le spectre du signal vidéo à enregistrer.

Figure 17. Compensation de la non-linéarité dans le magnétoscope.



10- Le principe des têtes tournantes

Les très grandes vitesses relatives nécessaires pour enregistrer le signal vidéo ne peuvent être obtenues par un défilement de la bande. On a donc recours à un enregistrement sur des pistes inclinées par des têtes qui se déplacent. En pratique, la bande défile à une vitesse basse (2,34 cm/s pour les matériels grand public VHS, quelques dizaines de cm/s pour les matériels professionnels) devant un disque supportant au moins deux têtes et tournant à 1500 tours/minute (soit 25 trs/s).

La vitesse relative tête-bande ainsi obtenue est de 4,84 m/s, permettant des bandes passantes supérieures à 6 mégahertz. Le procédé technologique utilisé actuellement est le défilement hélicoïdal :

La bande défile dans un plan et s’enroule en Ω autour du tambour incliné. Le tambour est constitué de deux parties superposées, légèrement séparées, dont l'une est fixe et l’autre mobile et supportant les têtes. Ce dispositif permet l'enregistrement d'une trame par piste. Le tambour fait donc exactement un tour pendant la durée d’une image complète, c’est-à-dire pendant le temps de deux trames. La tête A enregistre ou lit la trame paire, et la tête B la trame impaire. Le tambour porte-têtes est un élément technologiquement complexe : il s’agit de faire défiler une bande magnétique à près de 18 km/h et d’inscrire ou lire le signal sur une piste de 49 µm de large.

Figure 20. Enregistrement de piste oblique à l’aide de têtes tournantes.

Figure 19. Les têtes vidéo tournantes du magnétoscope.



11- Le tambour porte-têtes

Le tambour porte-têtes est bien visible lorsqu’on ouvre le capot du magnétoscope VHS.

Les têtes tournantes posent un problème technologique puisqu’il faut faire passer le signal à enregistrer de la carte électronique vers les têtes d’enregistrement, et à la lecture faire passer le signal capté par la tête vers le préamplificateur. Ceci est réalisé à l’aide de transformateurs tournants incorporés dans le tambour porte-têtes. A chaque tête correspond un bobinage primaire sur la partie mobile et un secondaire sur la partie fixe du tambour.

A l’enregistrement, le signal vidéo est envoyé simultanément sur les 2 têtes, et à la lecture une commutation automatique met en service la tête qui est sur la bande. Comme la bande est enroulée sur le tambour de plus de 180 degrés, 10 lignes environ sont enregistrées à la fois par la tête A qui quitte la bande et par la tête B qui arrive sur la bande. On pourra ainsi mieux maîtriser l’instant de commutation de la tête A à la tête B qui sera placé dans les 5 dernières lignes de la trame, c’est à dire en bas de l’écran.

Figure 23. Les transformateurs tournants d’alimentation des têtes.

Figure 21. Le tambour porte-têtes dans le magnétoscope.

Figure 22. Détail d’une tête.



12- Le format d’enregistrement VHS

En plus des têtes vidéos tournantes, le magnétoscope comprend :

une tête d’effacement placée avant le tambour qui efface la totalité des données inscrites sur la bande

une tête d’effacement audio qui efface la piste audio une tête d’enregistrement pour le signal audio et la piste de contrôle éventuellement une tête d’effacement vidéo rotative se trouvant sur le tambour tournant pour

permettre les insertions éventuellement une tête audio Hi-fi rotative pour les enregistrements audio de qualité

Le format VHS, qui est apparu aux environs de 1975, utilise une bande magnétique de 12,7 mm de large soit un demi-pouce. La longueur de la bande varie avec la durée d’enregistrement et l’autonomie peut atteindre aujourd’hui les 5 heures dans certains modes. Elle est placée dans une cassette de dimensions : 188x104x24 mm.

L’échelle n’est pas tout à fait respectée puisque l’inclinaison des pistes vaut 6°, et que un segment de piste contient un peu plus qu’une trame, soit environ 320 lignes. On distingue sur la bande :

la piste audio : d’une largeur de 0,35 mm, donne une qualité comparable à celle d’un magnétophone de milieu de gamme. Certains magnétoscopes sont stéréo et possèdent donc deux têtes. L’enregistrement Hi-fi n’utilise pas la piste audio mais la piste vidéo selon un procédé qu’on verra plus loin.

la piste de contrôle : sur cette piste ion enregistre un signal carré à 25 Hz destiné à piloter l’ensemble des asservissements. Ce signal de contrôle permet d’assurer la bonne position des têtes vidéo sur les pistes.

la piste vidéo : elle a une largeur de 49 microns et l’angle d’inclinaison de 6 ° résulte à la fois de l’inclinaison du tambour et du mouvement de la bande.

Figure 24. Position des différentes têtes dans le magnétoscope VHS.

Figure 25. Les pistes sur la bande magnétique.



13- Utilisation de l’azimut contre la diaphotie

L’écart entre les pistes vidéo étant très faible, il est impossible qu’une tête de lecture lisant une piste ne soit pas influencée par l’état magnétique des pistes voisines, et donc par la trame précédente et la trame suivante. Le signal de luminance est enregistré en modulation de fréquence et sera démodulé à la lecture par un dispositif pratiquement insensible aux ajouts de signaux parasites. Par contre la chrominance qui est enregistrée directement par variation d’amplitude est très sensible à la diaphotie, sauf en SECAM où la couleur est codée en modulation de fréquence. Pour éviter que la tête ne capte les signaux enregistrés sur les deux pistes adjacente, les deux têtes ont une orientation différente par rapport à la piste.

Les signaux sont donc enregistrés sur la bande magnétique avec une orientation donnée pour la tête A et une orientation différente pour la tête B.

En VHS cet angle appelé azimut est de +6° pour la tête A et de -6° pour la tête B. Cet azimut permet de réduire la diaphotie entre deux pistes. Lorsqu’on change le tambour porte tête et si on le monte à l’envers, aucune des 2 têtes de lecture n’aura le bon azimut, et la lecture d’une cassette enregistrée sur un autre appareil sera très mauvaise et sans couleur.

Figure 27. L’azimut différent des deux têtes permet d’améliorer la séparation entre les canaux.

Figure 26. Les deux têtes ont une inclinaison différente.



14- L’arrêt sur image et l’avance-retour rapides

L’angle d’inclinaison des pistes vidéos dépend du mouvement relatif de la tête et de la bande. Ce qui veut dire en particulier que :

si la vitesse de bande est rapide (avance rapide), la tête aura une trajectoire plus inclinée si la bande s’arrête (arrêt sur image), la trajectoire sera moins inclinée si la bande est rembobinée (marche arrière rapide) la trajectoire sera très peu inclinée

Dans le cas de l’arrêt sur image, le défilement de la bande est stoppé. La trajectoire des têtes est plus inclinée que la piste, la lecture se fera donc en passant d’une piste sur l’autre, ce qui crée des parasites à l’écran.

D’autre part l’azimut de la tête de lecture convient pour une des deux pistes mais pas pour l’autre, d’où une forte variation du niveau du signal.

Les solutions améliorant l’arrêt sur image ont été multiples : utilisation de têtes à double azimut, digitalisation de l’image, tambour à inclinaison variable ( Dynamic Drum System de JVC). Toutefois la solution la plus courante est l’introduction d’une tête A’ supplémentaire ayant le même azimut que A et orientée convenablement, placée à coté de la tête B qui n’est plus utilisée. Quand la bande est arrêtée, les têtes A et A’ lisent la même trame de façon à peu près satisfaisante et les barres de bruit disparaissent. Il s’agit donc en réalité d’un arrêt sur trame. Lors de la recherche avant et arrière rapide, la bande défile rapidement en avant ou en arrière, le tambour tournant toujours à 25 tours/seconde. Comme dans le cas de l’arrêt sur image, durant une demi-rotation du tambour une tête donnée passe sur plusieurs pistes, en générant à chaque fois un bruit de transition. D’autre part l’azimut n’est convenable qu’une piste sur deux. Dans les deux cas, l’image à l’écran présente des barres de bruit, d’autant plus nombreuses que la vitesse de défilement avant ou arrière est élevée.

Figure 29. Le problème de l’arrêt sur image .

Figure 28. Aspect de l’écran en arrêt sur image .



15- Le schéma fonctionnel du magnétoscope

Lors de l’enregistrement d’un signal TV provenant de l’antenne, on distingue les phases suivantes :

le signal RF est reçu et démodulé par le tuner qui sort les signaux vidéo composites et audio le signal vidéo et le son modulent une porteuse (canal 36) et se retrouve en UHF sur la sortie

« antenne » du magnétoscope ces signaux en bande de base se retrouvent aussi sur les sorties Cinch/BNC/Péritel du

magnétoscope (mode Electronic to Electronic ) le signal vidéo ainsi que l’audio sont traités par les circuits du magnétoscope pour être

enregistrés sur la bande selon un format particulier au VHS les signaux des autres chaînes provenant de l’antenne sont également renvoyés sur la sortie

« antenne » du magnétoscope, ce qui permet de regarder une autre chaîne durant l’enregistrement

Lors de la lecture d’une bande vidéo, la partie tuner du magnétoscope ne sert pas :

les signaux captés par les têtes audio et vidéo sont traités par les circuits du magnétoscope pour être remis au stand vidéo composite classique ( PAL ou SECAM)

le signal vidéo, résultat de ce traitement, est envoyé sur les sorties Cinch/BNC/Péritel du magnétoscope

le signal vidéo module également une porteuse (canal 36) et se retrouve sur la sortie « antenne » du magnétoscope

par la prise Péritel sort aussi le signal de commutation lent qui met le téléviseur en mode AV

Figure 30. Schéma fonctionnel du magnétoscope en enregistrement.

Figure 31. Schéma fonctionnel du magnétoscope en lecture.



16- Les circuits d’enregistrement en PAL

Un signaI vidéo dont le spectre s'étend du continu à 6 MHz environ possède une largeur de bande d'une vingtaine d'octaves. Or la largeur maximale de bande pratiquement utilisable dans l'enregistrement magnétique est de l'ordre de 10 octaves. L’utilisation de la modulation de fréquence permettant de réduire à 5 ou 6 octaves environ la largeur relative de bande du signal enregistré.

⇒⇒⇒⇒ le système d’enregistrement fonctionne de la façon suivante pour la luminance :

le signal de luminance est isolé par un filtre passe-bas coupant à 2,9 MHz. il est ensuite préaccentué avec un taux de préaccentuation de 8 à 10 dB le signal de luminance préaccentué module en fréquence une porteuse à 4,3 MHz

La formule de Carson donne alors une largeur de spectre de : B = 2(0,5 + 2,9) = 6,8 MHz

A cause de la limitation de bande passante, on observe une perte de qualité au niveau du piqué de l’image puisque le nombre de points par ligne est de l’ordre de 280. Mais cette limitation est nécessaire pour éviter que la partie basse du signal modulé ne vienne empiéter sur le signal de chrominance. ⇒⇒⇒⇒ le signal de chrominance subit un changement de fréquence par un système oscillateur local/mélangeur et se retrouve à une fréquence de 627 kHz. Le spectre de la porteuse de chrominance modulée en bande latérale double ne peut pas descendre en-dessous de 0, ce qui veut dire qu’on limite son spectre à 600 kHz environ en PAL. Par suite de cette limitation de bande passante, on observe une dégradation sensible de la résolution et les couleurs bavent.

L’utilisation spectrale tient compte de l’irrégularité de la courbe de réponse du système d’enregistrement.

Figure 32. Structure des circuits d’enregistrement PAL.

Figure 33. Spectre du signal enregistré PAL.



17- Les circuits d’enregistrement en SECAM

Pour les magnétoscopes SECAM, le traitement du signal de luminance est le même que dans le cas de l’enregistrement en SECAM Par contre, la transposition de la chrominance en dessous de la porteuse de luminance ne se fait pas par changement de fréquence mais par division de fréquence dans un rapport 4 . Ainsi la sous-porteuse modulée par le signal R-Y passe de : fr = 4,40625 MHz à f’r = fr/4 = 1,101562 MHz et pour le signal B-Y de : fb = 4,12500 MHz à f’b = fb/4 = 1,03125 MHz

Le spectre du signal enregistré en SECAM diffère du spectre PAL par le signal de chrominance :

Remarques :

dans le standard MESECAM utilisé dans certains pays du Moyen Orient on décale la sous-porteuse couleur codée en SECAM par le même procédé qu’en PAL (oscillateur local et mélangeur ).

si on lit une cassette PAL avec un magnétoscope SECAM ou inversement, l’appareil sera

parfaitement capable de récupérer les informations de luminances, mais pas celles de chrominance. L’image sera donc affichée sur le téléviseur en noir et blanc.

les magnétoscopes PAL-SECAM disposent d’une détection automatique et basculent dans le

standard de l’enregistrement sans intervention e l’utilisateur

une bande magnétique peut comporter des « trous » ou « drops » d’oxyde. Pour éviter l’apparition de traits blancs sur l’écran, un circuit « compensateur de drops » remplace les infos manquantes d’une ligne par celles de la ligne précédente, ce qui se remarquera très peu

Figure 34. Structure des circuits d’enregistrement SECAM.

Figure 35. Spectre du signal envoyé sur les têtes vidéo en VHS-SECAM.



18- Les circuits de lecture en PAL et SECAM

La structure des circuits de lecture en standard PAL est la suivante :

En standard SECAM, on retrouve la même variante qu’à l’enregistrement et un multiplieur de fréquence replace les signaux de chrominance à leur fréquence normale.

Remarque : dans le standard S-VHS, la chrominance est traitée de la même façon qu’en PAL, mais pour le signal de luminance l’excursion en fréquence est plus large (1,6 MHz au lieu de 1 MHz pour le VHS), ce qui donne une meilleur bande passante et améliore la qualité de l’image.

Dans ce standard, la porteuse luminance passe de 4,3 MHz (VHS) à 6,2 MHz (SVHS).

Figure 36. Structure des circuits de lecture.

Figure 37. Structure des circuits de lecture.

Figure 38. Spectre d’enregistrement du standard SVHS.



19- Les standards d’enregistrement du son

Pour l’enregistrement du son, on rencontre dans le standard VHS : ⇒⇒⇒⇒ une technique classique utilisant la piste audio longitudinale ( mono ou stéréo) La vitesse de défilement de la bande de 2,34 cm/s, la moitié de la vitesse utilisée dans les magnétophones à cassette ordinaires, conduit pour les pistes longitudinale à une qualité relativement modeste. La piste est nettoyée par la tête d’effacement et le signal audiofréquence filtré à 15 kHz module en amplitude une porteuse de prémagnétisation. C’est ce signal qui est envoyé vers la tête d’enregistrement audio. Pour un enregistrement stéréophonique la piste audio est divisée en 2 pistes droite et gauche. ⇒⇒⇒⇒ une technique plus récente utilisant la piste vidéo ( magnétoscopes stéréo HIFI ) Le signaI audio est enregistré sur toute l’épaisseur de la couche magnétique par une tête située sur le tambour un peu avant la tête vidéo correspondant à la même piste. L'enregistrement du signaI vidéo, effectué juste après, entraîne un effacement superficiel de la couche magnétique qui conserve cependant l'enregistrement audio FM antérieur, car les porteuses FM utilisées correspondent à des longueurs d'onde suffisamment basses par rapport à celles des signaux vidéo.

Les magnétoscopes HIFI ont toujours un tambour équipé de 4 têtes : 2 têtes vidéo et deux têtes audio.

Remarque : les magnétoscopes qui possèdent l’option « Long Play » qui permet de doubler la durée d’une cassette ont un tambour qui peut tourner à une vitesse deux fois plus faible. Pour répondre aux spécification du VHS et inscrire les pistes avec le même écartement, il faut donc disposer de 4 têtes vidéo placées à 90 degrés. Avec les deux têtes audio et une tête d’effacement, le tambour peut donc porter jusqu’à 7 têtes différentes.

Figure 39. Principe de la superposition du son Hi-fi et de l’image.

Figure 40. Exemple de tambour de magnétoscope HIFI stéréo.



20- Le standard HIFI stéréo

Pour enregistre le son stéréo suivant ce principe, on utilise deux sous-porteuses à 1,4 MHz (canal gauche) et 1,8 MHz (canal droit). Ces deux sous-porteuses sont modulées en fréquence par le signal BF qui a subit préalablement une compression de dynamique et une préaccentuation ( relèvement du niveau des fréquences aiguës).

Les deux sous-porteuses « son » seront donc placées entre la chrominance à 627 kHz et la luminance. La superposition de la vidéo atténue le signal audio, et le canal Droit à 1,8 MHz est davantage atténué que le canal Gauche à 1,4 MHz. C’est la raison pour laquelle le canal D est enregistré à un niveau plus élevé que le canal G, le rapport étant de 3 soit 9,5 dB.

A la lecture :

les signaux captés par les deux têtes « son » sont sélectionnés par un commutateur de têtes semblable à celui présent dans la partie vidéo,

les deux porteuses sont sélectionnées par deux filtres passe-bande le signal est traité de façon classique en FM : limitation, démodulation, désaccentuation,

expansion de dynamique Remarque : pour le son, le circuit « compensateur de drop » maintient le signal à sa valeur juste avant le drop par un échantillonneur-bloqueur, ce qui évite un passage brutal à zéro qui se traduirait par un clic désagréable.

Figure 41. Traitement et enregistrement du son stéréo.

Figure 42. Spectre des signaux son et image en VHS-HIFI.



21- Le signal de contrôle de la synchronisation

En mode Record, il faut :

assurer une vitesse de rotation correcte du tambour porte-têtes assurer une vitesse de défilement correcte de la bande entraînée par le cabestan

En mode Play-back, il faut :

assurer une vitesse de rotation correcte du tambour porte-têtes assurer une position correcte des têtes par rapport aux pistes (phase) assurer une vitesse de défilement correcte de la bande

Ces asservissements des moteurs du tambour porte-tête et du cabestan ont besoin d’une fréquence de référence qui peut être :

les tops trames à 50 Hz, après division de la fréquence par 2, fournissent le 25 Hz de référence pour la régulation de vitesse du tambour porte-têtes et permettent de fabriquer le signal de contrôle CTL qui est enregistré sur la bande en mode Record

la sous-porteuse PAL à 4,43 MHz qui après division par 177344,75 donne également une fréquence de référence à 25 Hz, ou en SECAM un oscillateur à quartz à cette fréquence

Souvent le tambour est asservi sur les tops trame et le cabestan sur le 4,43 MHz. L’asservissement de ces moteurs nécessite aussi une information sur la vitesse (tambour et cabestan) et la position (tambour). Ces informations sont actuellement données par des capteurs à effet Hall placés sur les moteurs.

Ces deux capteurs produisent, après traitement par une électronique appropriée, deux signaux logiques :

signal FG (frequency generator) impulsions dont la fréquence est liée à la vitesse de rotation signal PG (phase generator) impulsions liées à la position de l’arbre du moteur

Enfin, le positionnement correct des têtes sur les pistes à la lecture est possible grâce au signal de contrôle CTL enregistré en synchronisme avec les signaux vidéo sur une piste longitudinale appelée piste d'asservissement.

Figure 44. Le signal de contrôle enregistré sur la bande.

Figure 43. Les capteurs à effet hall du tambour porte-têtes.



Bibliographie : Si vous souhaitez creuser la question, je vous recommande chaudement de vous reporter aux ouvrages très riches et complets de Jean Herben qui m’ont beaucoup apporté :

Les magnétoscopes Les caméscopes La télévision couleur ( 3 tomes )

parus aux éditions Dunod

Le Signal Video Analogique

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