Introduction à la Télévision - sur le site de Claude Lahache

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Introduction à la Télévision - sur le site de Claude Lahache
Introduction à la Télévision
1 . Les réseaux de télévision
1.1 La TV analogique terrestre (extinction totale fin 2011)
Les 6 chaînes françaises « historiques » (TF1, FR2, FR3, C+, ARTE et M6) étaient diffusées sur ce réseau ;
seule C+ occupait la bande III (bande VHF) , les 5 autres étaient émises dans les bandes IV et V
(UHF)
Chaque bande est décomposée en canaux de largeur normalisée 8 MHz.
En VHF (bande III), on émet en polarisation verticale ou horizontale.
En UHF (bandes IV et V), on émet presque exclusivement en polarisation horizontale.
(En polarisation horizontale, la classique antenne « râteau » a ses brins horizontaux ; en polarisation
verticale, ils sont verticaux !
polarisation horizontale
polarisation verticale
En UHF (canaux 21 à 69), on ne peut faire coexister en un lieu que 5 à 6 réseaux analogiques :
Compte tenu du standard de modulation employé, si un émetteur local diffuse le canal N, cet émetteur et ses
plus proches voisins ne peuvent pas diffuser les canaux N ± 1, N ± 4 et N - 9 !
En TV analogique, le signal module une porteuse ; tous les programmes disponibles en un lieu arrivent à
l’antenne râteau. Un circuit d’accord, au sein du récepteur permet de sélectionner la chaîne voulue.
L’occupation d’un canal vidéo est assez variable, comme le montre l’illustration ci-dessous :
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1.2 La télévision numérique terrestre (TNT
La TNT consiste en un ensemble de 18 chaînes gratuites et d’une dizaine de chaînes à péage.
La bande de fréquence allouée est la même : Bande UHF, canaux 21 à 69, de largeur unitaire 8 MHz
La réception s’effectue par une antenne râteau, en tous points identiques à celle qui était utilisée par la défunte TV
analogique..
Outre le fait que le signal est numérique, avec la norme DVB – T, différentes émissions sont multiplexées sur le
même canal : Là où on ne diffusait qu’un programme sur un canal analogique de largeur 8 MHz, on peut en
diffuser 6 en SD (simple définition) ou 3 en HD (haute définition) :
Prog 6
1 seul programme
jusque 6 programmes simultanés
Il existe 6 multiplex, nommés R1 à R6 (et un R7, diffusé actuellement sur Paris Tour Eiffel exclusivement) ; les
multiplex R1, R2 et R6 ne diffusent que des chaînes en SD ; le R3 et le R4 assurent une diffusion mixte, et le R5
est dévolu à des chaînes HD
La composition actuelle de ces multiplex est la suivante :
R1
R2
R3
R4
R5
R6
France 2
i-Télé
Canal + HD
M6
TF1 HD
TF1
France 3
Direct 8
Canal + Cinéma
Paris Première
France 2 HD
Eurosport France
France 5
Virgin 17
Canal + Sport
NT1
M6 HD
NRJ 12
Arte
France 4
Planète
W9
TF6
LCP/Public Sénat
BFM TV
TPS Star
Arte HD
TMC
Chaîne locale
Gulli
LCI
ou France Ô,
ou FR3 bis
La norme de diffusion DVB – T entraîne une occupation spectrale quasi totale d’un canal :
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1.3 La diffusion par satellite.
La plupart des états ont procédé au lancement de satellites géostationnaires de télécommunications.
Actuellement, plusieurs centaines de ces engins gravitent sur une orbite quasi circulaire, à une altitude voisine de
36000 km. Une propriété essentielle de ce type de satellite est d’apparaître comme immobile à un observateur
terrestre.
MERIDIEN DE
GREENWICH
L’orbite géostationnaire, par comparaison à une orbite basse, très souvent polaire
L’organisation d’une telle diffusion est la suivante :
L’opérateur de TV émet les signaux vers le satellite qui
lui est alloué, à l’aide d’une parabole de grand diamètre
(2 à 3 m) : Faisceau Uplink.
Le satellite réémet les signaux vers la Terre, selon un
cône qui permet la couverture totale d’une zone.
(Faisceau Downlink)
La réception du signal s’effectue grâce à une antenne
parabolique, de faible diamètre (50 à 80 cm), pointée sur
le satellite en question.
Les principaux satellites diffusant des télévisions
francophones sont :
- Atlantic Bird 3, situé à 3° ouest
- La constellation Hotbird, située à 13° est
- La constellation Astra, située à 19,2° est.
Bandes de fréquences utilisées :
• Les faisceaux « uplink » sont diffusés dans la bande « Ka » (above K band), entre 26,5 et 40 GHz.
• Pour les faisceaux « downlink » on exploite des fréquences plus faibles : Aux USA, la bande « C », entre 4 et 6
GHz ; en Europe, la bande « Ku » (under K band), qui s’étend de 12 à 18 GHz ; en fait la diffusion TV satellite
utilise le bas de la bande « Ku », soit entre 10,7 et 12,7 GHz.
Les signaux en bande « Ka » sont très perturbés par les phénomènes météorologiques comme la pluie, ce qui les
rend impropres à la diffusion de la télévision ; en bande « Ku » le phénomène est moins marqué ; il n’empêche
que l’atténuation entre le satellite et le sol est de l’ordre de 100 dB, et que le rapport signal bruit au niveau de la
réception est très faible : 10 à 14dB en moyenne !
Norme de diffusion :
En Europe, on utilise la norme DVB, dans sa version DVB – S ; chaque canal a habituellement une largeur de 27 à
36 MHz, et permet la diffusion multiplexée de 6 à 10 programmes, avec les compressions MPEG2 (SD) ou MPEG4
(HD), ainsi que plusieurs programmes radiophoniques. Chaque satellite peut ainsi assurer la diffusion d’une bonne
centaine de programmes TV ! (et autant de programmes radio)
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1.4 La diffusion par le câble.
La diffusion de services par le câble est essentiellement assurée par des opérateurs et nécessite le paiement d’une
redevance. Les signaux sont diffusés sur le réseau câblé avec la norme spécifique DVB – C ; (la compression reste
MPEG2 en SD et MPEG4 en HD, mais un cryptage est ajouté en sus)
Techniquement un réseau câblé se compose de 3 éléments principaux :
• La station de tête
• Le réseau de télédistribution
• Le terminal (téléviseur et/ou récepteur spécifique)
La station de tête capte des flux vidéo et les encode en vue de leur diffusion sur le réseau. Elle comporte des
antennes terrestres (râteaux) et satellites (paraboles), ainsi qu’un accès à une épine dorsale (backbone) de l’Internet.
Les signaux captés sont filtrés et convertis sur des fréquences conformément à un plan technique défini (canaux)
Ils sont démodulés, décodés, décryptés voire transcodés pour les adapter aux normes nationales, réordonnés et
éventuellement multiplexés dans des flux numériques.
Ils sont de plus adaptés au contrôle d'accès spécifique du réseau câblé pour la gestion directe des abonnements.
L’architecture technique du réseau comprend une série de lignes de transport, entre la tête de réseau et la prise
d'abonné. Ces lignes acheminent les signaux vers les répartiteurs et amplificateurs de distribution, par le câble
coaxial (avec amplificateurs de ligne), sur les réseaux les plus anciens, par la fibre optique monomode (multiplexage
de tous les types de données numériques), pour les réseaux les plus récents
Le terminal, chez l’abonné, comporte nécessairement une carte à puce qui autorise le décodage des flux et le choix
d’un programme par l’abonné.
1.5 La TV par Internet.
Ce type de diffusion utilise le protocole IP en utilisant une connexion à haut débit sur ligne téléphonique. Comme
pour la TV par le câble, il y a nécessité d’un abonnement auprès d’un fournisseur d’accès. (FAI)
Les différents services liés à une ligne téléphonique sont schématisés ci-dessous :
Poste téléphonique
classique
vers autocommutateur
(téléphone sur RTC)
Poste téléphonique
VOIP
300 – 3400 Hz
300 – 3400 Hz
< 10kHz
Filtre ADSL
(passe bas)
passe bas
Filtres
passe haut
Ligne
Modem ADSL
(XXXXbox)
> 10kHz
Réseau domestique :
PC TV etc…
(ethernet, WiFi )
vers DSLAM
(tous services sur IP)
Central téléphonique
Domaine public
Domicile abonné
Organisation électrique d’une connexion ADSL avec différents services sur IP
Côté abonné, on rencontre le modem ADSL qui alimente le réseau domestique (ordinateur(s), télévision (avec
décodeur) et téléphone sur IP), ainsi que des postes de téléphonie classique (si la ligne n’est pas dégroupée).
Coté central téléphonique (locaux de l’opérateur historique), la ligne débouche sur un réseau de filtres, qui sépare
les signaux de la téléphonie classique de ceux liés aux services sur IP , délivrés via le DSLAM (Digital Subscriber
Line Access Multiplexer) Le DSLAM assure l’interface entre des lignes d’abonnés et une artère du Web à fort
débit.
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Organisation du service de TV sur IP :
A la différence des moyens classiques (terrestre, câble, satellite), 1 seul programme est diffusé à la fois : Celui que
l’abonné a sélectionné à l’aide de la télécommande de son décodeur TV ! Ceci s’explique par la bande passante
insuffisante de la ligne téléphonique.
Pour la diffusion d'un flux vidéo SD, un débit dédié de 1,5 à 3 Mbps est indispensable. Pour le lancement d'un
service triple-play (Internet + TV(SD) + téléphone IP), le débit minimal imposé par les opérateurs est de l’ordre de
5 à 6 Mbps.
La bande passante chez l’abonné dépend de la longueur de la ligne entre le domicile de cet abonné et le DSLAM de
l’opérateur.. Une distance maximale de 4000m est compatible avec un débit suffisant pour recevoir la TV par
Internet, en qualité SD, dans des conditions satisfaisantes. Par contre, pour la réception d’un flux HD, la longueur
maximale de la ligne tombe à 2000m environ.
La TV sur IP permet un réel service de VOD (Video on Demand) : L’opérateur n’envoie un programme particulier
qu’à un seul abonné lorsqu’il le demande, sans encombrer tout le réseau avec ce programme.
1.6 La télévision « mobile ».
C’est la dernière déclinaison de la diffusion terrestre de la télévision, à destination des récepteurs portables
et mobiles (téléphones essentiellement).
Elle s’appuie sur les réseaux des opérateurs de téléphonie mobile et utilise la norme DVB – H (H pour handheld)
Par rapport à la TNT (DVB – T), cette norme utilise le même type de modulation (COFDM), mais avec diffusion
du contenu en salves (time slicing), ce qui permet de n’activer le mobile récepteur que 10% du temps, protégeant
ainsi quelque peu son autonomie.
Depuis la fin de 2005, des chaînes de télévision sont d'ores et déjà accessibles en direct sur un téléphone mobile.
Pour les diffuser, les opérateurs de téléphonie mobile exploitent le canal réservé aux données ("data") haut débit de
leurs réseaux : UMTS (jusqu'à 384 kbps en réception) et EDGE (entre 100 et 200 kbps).
La télévision par le réseau haut débit mobile est une technologie dite "unicast" par opposition au "broadcast"
(principe de diffusion en masse utilisé pour la diffusion TV classique : TNT, satellite, etc.). Comme l'appellation
"unicast" le laisse entendre, regarder la télévision sur un téléphone mobile consiste à accéder à un flux constant
(aussi appelé "streaming") initié uniquement pour un utilisateur.
Regarder la télévision par le canal 3G ou EDGE recèle de ce fait quelques inconvénients :
Cette méthode se révèle gourmande en bande passante : Comme le flux vidéo doit multiplier les transmissions et
canaux pour atteindre le téléphone mobile, il peut aussi provoquer des encombrements. En cas de saturation, la
qualité se dégrade très rapidement (images saccadées ou pixellisées, avec parfois des ruptures). Cela pourra être
aussi le cas si l'utilisateur se déplace ou entre progressivement dans une zone mal couverte.
Elle se montre aussi gourmande en ressources batterie : Très sollicitée pour réceptionner les données, votre
autonomie s’en trouve réduite, en cas d'accès prolongé à ce type de services !
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1.6 Récapitulation : Configurations schématiques des principaux modes de diffusion de la télévision.
(crédit : Agence Wallone des Télécommunications http://www.awt.be/)
La télévision numérique terrestre (TNT)
La distribution par satellite
La distribution par câble
La télévision « mobile »
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2 . L’image
2.1 Les formats.
2 formats coexistent :
Historiquement, le format 4 / 3 était le seul jusqu’au début des années 1990.
Ensuite, le format 16 / 9, plus adapté à la vision humaine est apparu,et s’est peu à peu imposé.
4/3×h
16/9×h
h
h
d
d
Les deux formats d’image
Les tailles d’écrans sont repérées par la longueur d de la diagonale, exprimée en pouces (1 pouce ⇔ 2,54 cm)
2.2 Les modes de balayage d’écran.
Une image est formée par un certain nombre de lignes horizontales, balayées successivement, de gauche à droite et
de haut en bas. La cadence de rafraîchissement est de 25 images par seconde.
Le balayage de ces lignes peut être progressif : Les lignes d’une image sont toutes décrites l’une après l’autre ; une
trame correspond à une image complète.
Le balayage peut être entrelacé : On balaie d’abord les lignes « impaires », pendant 1/50ème de seconde (1ère ½
image ou 1ère trame), puis les lignes « paires », pendant 1/50ème de seconde (2ème ½ image ou 2ème trame)
Le balayage entrelacé était impératif avec les anciens écrans cathodiques ; il permettait de réduire considérablement
l’effet de papillotement lumineux, améliorant ainsi le confort visuel.
336
337
338
339
1
2
3
4
5
Retour trame
(durée 50 lignes)
Retour 1ère trame
(durée 25 lignes)
23
24
25
26
27
Retour 2ème trame
(durée 25 lignes)
620
621
622
623
572
573
574
575
308
309
310
Le balayage entrelacé : Représentation simplifiée
Le balayage progressif : Représentation simplifiée
Le balayage entrelacé ordinaire est dit « balayage 50 Hz »
Actuellement sont apparus des balayages « 100 Hz » et « 200 Hz » : En balayage 100 Hz entrelacé, chaque ½
image est décrite 2 fois au cours d’un cycle. Le principal intérêt de ces balayages plus rapides est de procurer des
images plus lumineuses et d’augmenter la netteté de scènes comportant des mouvements rapides.
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2.3 Les définitions.
L’image en télévision est formée par un certain nombre de pixels, de forme carrée. (Cette forme permet de faciliter
certains traitements vidéo)
La définition correspond au nombre de pixels horizontaux et verticaux qui forment l’image.
• Définition standard (SD) :
Elle comprend 625 lignes horizontales, dont seulement 576 sont visibles (correspondent à la formation de
l’image). Les autres (49), sont dédiées à la synchronisation, à des séquences test, aux télétextes.
En format 4/3, chaque ligne comprend donc en théorie 4/3×576 = 768 pixels ; cette valeur est ramenée en pratique
à 720 pixels par ligne.
Une image SD, au format 4/3 est donc formée de 720×576 pixels, soit un peu plus de 400000 pixels ; cette
définition correspond à la qualité du DVD.
En format 16/9, chaque ligne comporte 16/9×576 = 1024 pixels ; une image SD au format 16/9 est donc formée
théoriquement de 1024×576 pixels, soit près de 600000 pixels.
En supposant que cette image soit numérisée, avec un codage de chaque pixel sur 8 bits, ceci nécessiterait un débit
binaire considérable de l’ordre de 80 Mbits/s (25×8×400000). Cette forme de numérisation à la source n’est
cependant pas utilisée, car ce type de signal numérique se prête mal aux manipulations (effets vidéo, trucages…)
• Autres définitions :
720p : L’image est formée de 720 lignes, avec balayage progressif ; le format est 16/9.
Chaque ligne comporte ainsi 1280 pixels (16/9×720) ; chaque image est formée de plus de 900000 pixels.
Cette définition a été un temps dénommée « HD Ready »
1080i ou 1080p : L’image comprend 1080 lignes, avec balayage entrelacé (i) ou progressif (p) ; C’est la
TVHD ou télévision haute définition. (Nommée encore « Full HD »)
En HD, la définition (hor×vert) est ainsi de 1920×1080 pixels. Chaque image est formée de près de 2 millions de
pixels, soit presque 5 fois plus qu’en SD.
A l’heure actuelle (février 2010), les sources de programmes en qualité HD sont au nombre de 5 chaînes
francophones (TF1, France 2, Canal +, Arte et M6). Ces chaînes sont diffusées sur les satellites Astra, Hotbird et
Atlantic Bird, sur le câble et l’ADSL, et commencent à être diffusées sur les multiplex R3, R4 et R5 de la TNT.
Une autre source HD est constituée par les films enregistrés au format « BluRay).
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3 . Les différents types d’écrans.
3.1 Les écrans cathodiques (pour mémoire).
Ils représentent moins de 50% des écrans de télévision, début 2010 en France…
Leur principal inconvénient est leur encombrement, leur poids, et l’émission de rayonnements électromagnétiques.
Leur durée de vie est estimée à un peu plus de 20000 heures.
Par contre, à leur avantage restent la finesse du graphisme et l’angle de vision très étendu (tant horizontal que
vertical)
Masque à
fentes ovales
3.2 Les écrans plats à technologie LCD.
Principe des cristaux liquides : Le pouvoir de transmission d’une lumière polarisée dépend de leur état.
Un écran LCD doit être rétroéclairé !
Le rétroéclairage s’effectue généralement à l’aide de tubes fluorescents, ou CCFL (d’où une certaine
consommation énergétique et un léger échauffement) ; cependant, le rétroéclairage à LED (3000 à10000 diodes !!)
monte en puissance et permet la réalisation de dalles à faible consommation et très minces ( 3 cm environ au lieu de
7 à 8 cm pour les dalles à rétroéclairage à tubes)
Transmission ou non de la lumière par une
lame de cristaux liquides : L’application
d’un champ électrique entre les 2 grilles
bloque le passage de la lumière.
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Détails d’un écran LCD couleur
Détails d’un pixel
Points positifs : Faible encombrement, poids modéré (environ 20 kg pour une dalle de 40’’ de diagonale),
absence de rayonnement, pas de tensions dangereuses.
Points négatifs : Champ visuel limité, temps de réponse perfectible.
La durée de vie de ce type d’écran est estimée à environ 50000h.
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3.3 Les écrans plats à technologie plasma.
Contrairement aux LCD, les écrans PDP (plasma display panel) sont des dispositifs à technologie émissive ; ils
n’ont pas besoin d’éclairage annexe.
Les cellules de l’écran sont remplies d’un gaz « rare »
( mélange néon – xénon), qu’on peut exciter par application
d’une différence de potentiel entre 2 électrodes.
Le retour au repos du gaz s’accompagne de l’émission
d’une radiation UV, laquelle provoque à son tour l’émission
d’une lumière visible par un photophore (R, V ou B)
tapissant la cellule.
Les électrodes de commandes sont organisées en « lignes
et colonnes » et permettent d’adresser chaque cellule.
Détails d’un écran
plasma couleur
- Points négatifs : Poids, échauffement et consommation (100 à 300W !!)
- Points positifs : Affichage possible du noir « intégral », angle de vision important.
La durée de vie des dalles plasma est assez courte : Environ 10000h.
3.4 Les écrans à technologie OLED.
Chaque sous pixel (cellule R, V ou B) est constituée d’une diode
LED organique.
Avantage par rapport aux LCD : Pas de rétroéclairage,
donc épaisseur très faible (< 5mm) et peu énergivore.
Actuellement, Samsung a présenté un écran OLED
de 31 pouces, avec pour caractéristiques :
durée de vie 35000h
contraste 1000000 : 1
temps de réponse < 0,1ms
dalle full HD, 1920×1080 pixels.
Sony commercialise une dalle OLED 11’’.
Applications futures : Écrans, écrans flexibles, éclairage.
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4 . Le signal vidéo noir et blanc
Le signal doit contenir les informations suivantes :
- luminosité de chaque point de l’écran (luminance)
- information de saut de ligne (impulsion unique de durée ≈ 5µs)
- information de changement de trame (retour en haut de l’écran ; suites d’impulsions complexes, de durée
≈ 25 lignes)
Les composantes "luminance" et "synchro" sont séparées par le niveau de référence : le "noir".
Signal VIDEO
Niveau "blanc"
0,7V
Zone réservée à la composante
luminance
t
Niveau "noir"
0,3V
Niveau "infra-
Zone réservée aux composantes synchro
Détails d’une ligne
d’une mire de barres verticales
Allure d’une synchronisation de trame
Ce signal est transmis avec une inversion momentanée du rapport cyclique des tops de synchro ligne .
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 conserver la synchro ligne tout en insérant des tops trame qui ont une largeur
de 150 ms .
durée ≈ 25 lignes
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Spectre du signal vidéo N & B :
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
Spectre d’un signal N & B
dans la gamme 0 à 5MHz
Zoom dans la gamme
0 à 100kHz
En conclusion, nous pouvons dire que le spectre d’un signal vidéo N & B :
· - a assez nettement un caractère de spectre de raies
· - contient des composantes jusqu’à 5 ou 6 MHz
· - ces composantes décroissent assez régulièrement
5 . Signal vidéo couleur
On utilise ici la synthèse trichrome additive. Chaque pixel de l’écran est défini par ses 3 composantes (R,V, B)
Or, le signal vidéo couleur doit être reconnu par un récepteur N & B (il en existe encore !)
La TV utilise une représentation de la couleur sous la forme Luminance + Chrominance (Y + C), où la
chrominance est décomposée en 2 éléments, la différence rouge (R – Y) et la différence bleue (B – Y)
Lois de couleur usuelles :
Y ≈ 0,3R + 0,59V + 0,11B
CR ≈ 0,877(R –Y) et CB ≈ 0,493(B – Y) en PAL
CR ≈ - 1,902(R –Y) et CB ≈ 1,505(B – Y) en SECAM
CR
CB
Les 3 composantes Y , C R et CB pour une mire de barres couleur
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Le transport de la couleur dans le signal vidéo doit assurer la compatibilité avec le parc de récepteurs N & B.
Les différents standards (NTSC, PAL et SECAM) utilisent tous le même format de signal vidéo :
Références :
- La télévision numérique. Hervé Benoît. Dunod
- Cours de télévision de Supélec. Jacques Weiss. http://www.rennes.supelec.fr/ren/perso/jweiss/
- Cours vidéo de Marcel Cremmel. http://electronique.marcel.free.fr/
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ANNEXE : Exercez vous avec ces quelques calculs numériques immédiats.
1) Calculer la Bande Passante vidéo théorique en définition standard, 720 × 576.
rép 1 : 720 pts en 52µs ⇒ TMINI ≈ 52×10-6 / 360 ⇒ fMAX ≈ 6,9MHz
2) Calculer la vitesse atteinte par des électrons accélérés sous une tension U ≈ 20kV
rép 2 : eU = ½ mv2 soit, avec e = 1,6×10-19C et m = 9×10-31kg, ⇒ v ≈ 80000km/s
3) Calculer la vitesse de déplacement du faisceau électronique à la surface d’un tube de 24’’ et de format 4 :3
rép 3 : 24’’ → 61cm de diagonale, soit une longueur de ligne de ≈ 49cm, balayée en 52µs
vH ≈ 9500m/s soit ≈ 34000km/h
4) Calculer l’ordre de grandeur de la longueur l des brins d’une antenne râteau VHF accordée sur 220MHz et
ceux d’une antenne UHF, accordée sur 600MHz.
rép 4 : l = c/(2f) → VHF : l ≈ 68cm et UHF : l ≈ 25cm
5) Soit une émission au standard 625 lignes, 25 images par seconde, en N & B.
Représenter le signal vidéo et son spectre :
- pour une image uniforme (blanche, grise ou noire
- pour une image formée de 4 bandes verticales identiques, alternativement N et B.
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