彩色電視制式與彩色電視信號(hào)

1、第2章 彩色電視制式與 彩色電視信號(hào)2.1 兼容制傳送方式2.2 亮度信號(hào)與色差信號(hào)2.3 色度信號(hào)與色同步信號(hào)2.4 NTSC制色差信號(hào)及編、解碼過程2.5 PAL制及其編、解碼過程2.6 SECAM制及其編、解碼過程2.1 兼容制傳送方式 所謂兼容，是指彩色電視信號(hào)能為黑白電視機(jī)所能正常接收。 所謂彩色電視制式，是指彩色電視傳送的亮度信號(hào)Y和色度信號(hào)F，這兩種信息的三基色信號(hào)在處理和傳送過程中的方式。 2.1.1 兼容的必備條件 彩色電視應(yīng)滿足以下基本條件: (1)所傳送的電視信號(hào)中應(yīng)有亮度信號(hào)和色度信號(hào)兩部分。 (2)彩色電視信號(hào)通道的頻率特性應(yīng)與黑白電視通道頻率特性基本一致,而且應(yīng)該有

2、相同的頻帶寬度、圖像載頻和伴音載頻。 (3)彩色電視與黑白電視應(yīng)有相同的掃描方式及掃描頻率,有相同的輔助信號(hào)及參數(shù)。 (4)應(yīng)盡可能地減小黑白電視機(jī)收看彩色節(jié)目時(shí)的彩色干擾,以及彩色電視本身中色度信號(hào)對(duì)亮度信號(hào)的干擾。 2.1.2 大面積著色和混合高頻原理 由于人眼只能辨別細(xì)節(jié)的明暗差異， 而不大能區(qū)別其顏色差異，只有畫面較大面積的彩色才能加以區(qū)別。根據(jù)這一特點(diǎn)，在彩色電視圖像傳送時(shí)，只傳送其亮度細(xì)節(jié)，而不必傳送彩色細(xì)節(jié)，這種原理稱為大面積著色原理。把三個(gè)基色中的圖像信號(hào)的高頻分量，用一個(gè)只代表亮度的信號(hào)來傳送，又稱為“混合高頻原理”。電視圖像的水平清晰度是和信號(hào)的頻帶寬度成正比的。水平清晰度

3、每增加80線,相當(dāng)于視頻帶寬增加1MHz。亮度信號(hào)帶寬為6MHz。用亮度信號(hào)帶寬的20%（ 1.3MHz 帶寬）傳送色度信號(hào)。 Affsc60 2.1.3 頻譜交錯(cuò)原理 頻譜交錯(cuò)是利用亮度信號(hào)頻譜間隙，插入已調(diào)副載波的頻譜，使亮度信號(hào)頻譜與已調(diào)副載波頻譜互相錯(cuò)開達(dá)到頻帶共用的目的。 圖21 亮度與色度信號(hào)的頻譜交錯(cuò) 2.2 亮度信號(hào)與色差信號(hào) 2.2.1 亮度信號(hào)、色差信號(hào)與R、G、B的關(guān)系 由亮度方程知 Y=0.3R+0.59G+0.11B (21) 那么, R-Y=R-(0.3R+0.59G+0.11B)=0.7R-0.59G-0.11B (22a) B-Y=B-(0.3R+0.59G+0

4、.11B)=-0.3R- 0.59G+0.89B (22b) 在已知(R-Y)和(B-Y)的情況下,可以容易地按照下述步驟求得(G-Y)。由 Y=0.3Y+0.59Y+0.11Y (23) Y=0.3R+0.59G+0.11B (24) 用式(24)減去式(23),得 0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y)=0 則(25) 接收端由矩陣電路把收到的(R-Y)和(B-Y),按式(25)恢復(fù)出(G-Y),然后再以基色矩陣恢復(fù)電路使之分別與Y信號(hào)相加,從而恢復(fù)出三基色。即： ( R-Y)+Y=R (26a) ( B-Y)+Y=B (26b) ( G-Y)+Y=G (26c) 在傳送

5、黑白電視信號(hào)時(shí), 色度信號(hào)為零,即色差信號(hào)( R-Y)=0， ( B-Y)=0， ( G-Y)=0， R、G、B應(yīng)相等，都為亮度信號(hào)。 即：Y=R=G=B 在傳送彩色圖像時(shí)，比如傳送黃色,則可知R=G=1,B=0,其亮度信號(hào)和色差信號(hào)分別為: Y=0.31+0.591+0.110=0.89 R-Y=1-0.89 = 0.11 G-Y=1-0.89 = 0.11 B-Y=0-0.89 = - 0.89 可見(R-Y) 、(G-Y) 、(B-Y)均不為零。 2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)彩條亮度及色差信號(hào)波形 標(biāo)準(zhǔn)彩條信號(hào)是由彩條信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的一種測(cè)試信號(hào)。在分析和研究彩色電視波形時(shí)，大都采用標(biāo)準(zhǔn)彩條信號(hào)。

6、彩條信號(hào)幅度和飽和度的計(jì)算： 飽和度%幅度%= (29) (210) 式中,Emax和Emin分別對(duì)應(yīng)彩條R、G、B的最大值和最小值;EW為白條所對(duì)應(yīng)的R、G、B的幅度。0.3775%幅度、100%飽和度彩條信號(hào)波形圖100%幅度、100%飽和度彩條信號(hào)波形圖彩條的亮度和色差信號(hào)波形 圖22 彩條信號(hào) (a)彩條圖像; (b)三基色電壓; (c)亮度信號(hào); (d)色差信號(hào)70.37三個(gè)色差信號(hào)的波形圖有何特點(diǎn)？2.3 色度信號(hào)與色同步信號(hào) 2.3.1 色度信號(hào)的形成 色差信號(hào)有兩個(gè)，在NTSC制和PAL制中,均是選用一個(gè)具有相同頻率不同相位的副載波，進(jìn)行調(diào)制。它是將正交調(diào)幅與平衡調(diào)幅結(jié)合起來,

7、將兩個(gè)色差信號(hào)分別對(duì)正交的兩個(gè)副載波進(jìn)行平衡調(diào)幅,由此得到已調(diào)信號(hào),稱其為色度信號(hào)。 1.平衡調(diào)幅 所謂平衡調(diào)幅,是將調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)相乘所得到的已調(diào)波信號(hào)。是抑制載波的一種調(diào)制方式。它與普通調(diào)幅不同之處在于,平衡調(diào)幅不輸出載波。 設(shè): 調(diào)制信號(hào)為u=Ucost； 載波信號(hào)為us = Uscosst, 則： 調(diào)幅后形成的一般調(diào)幅波為：(211) 上式說明,普通調(diào)幅波的頻譜是由載頻s和兩個(gè)邊頻(s+)、(s-)三個(gè)分量組成的,如圖24(a)所示。 cost圖24 (a)普通調(diào)幅波頻譜 而平衡調(diào)幅抑制了載波分量,使得調(diào)幅波中沒有Uscosst一項(xiàng),因而其表達(dá)式變?yōu)椋?212) 圖24 (b)平衡

8、調(diào)幅調(diào)幅波頻譜 cost- 圖25 調(diào)幅波波形 (a)調(diào)制信號(hào)(b)載波 (c)AM波 (d)平衡調(diào)幅波 平衡調(diào)幅波的特點(diǎn)是: (1)平衡調(diào)幅波的幅度與調(diào)制信號(hào)幅度的絕對(duì)值成正比。 (2)調(diào)幅信號(hào)為正值時(shí),平衡調(diào)幅波與載波同相;調(diào)制信號(hào)電壓為負(fù)值時(shí),平衡調(diào)幅波與載波反相。 2. 正交調(diào)幅 將兩個(gè)調(diào)制信號(hào)以調(diào)幅方式分別調(diào)制在頻率相等、相位相差90的兩個(gè)載波上,然后再將這兩個(gè)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行矢量相加,從而得到的調(diào)幅信號(hào)稱為正交調(diào)幅信號(hào),這一調(diào)制方式稱正交調(diào)幅。 3.色度信號(hào)的形成 在將兩個(gè)色差信號(hào)分別對(duì)兩個(gè)正交的副載波進(jìn)行平衡調(diào)幅之前,先對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆葔嚎s,這是不失真?zhèn)鬏斔枰?。壓縮后的色差信號(hào)

9、分別用U和V表示,它們與壓縮前的色差信號(hào)(R-Y)和(B-Y)的關(guān)系是：U=0.493(B-Y) (213) V=0.877(R-Y) (214) 式中,0.493和0.877稱為色差信號(hào)的壓縮系數(shù)。壓縮后的色差信號(hào)分別對(duì)兩個(gè)正交副載波sinSCt和cosSCt進(jìn)行平衡調(diào)幅,從而得到兩個(gè)平衡調(diào)幅信號(hào) FU=UsinSCt (215) FV=VcosSCt (216) 這兩個(gè)平衡調(diào)幅信號(hào)頻率相等,相位相差90,保持著正交關(guān)系,將二者相加便得到正交平衡調(diào)幅的色度信號(hào) F=UsinSCt+VcosSCt (217) F被稱為已調(diào)色度信號(hào)。用矢量表示,稱彩色矢量,如下圖所示。 可見,色度信號(hào)的振幅和相

10、角分別為：(218) (219) 圖26 彩色矢量圖 圖27 正交平衡調(diào)幅色度信號(hào)形成方框圖Fu、Fv送合成器進(jìn)行相加正交平衡調(diào)幅色度信號(hào)形成框圖 2.3.2 同步檢波原理 正交平衡調(diào)幅信號(hào)只能用同步檢波解調(diào)。 sinSCtFU=UsinSCtUusFUUttt 同步檢波解調(diào),還可由數(shù)學(xué)分析加以證明: 對(duì)于U同步檢波,色度信號(hào)F與sinSCt相乘: (220) 式中，1/2U是解調(diào)出的B-Y色差信號(hào)，其余兩項(xiàng)為副載波的諧波成分。U的幅頻特性曲線：Uf（2 SC ） 8.86MHZ 圖28 同步檢波原理方框圖同步檢波原理框圖4.43MHZ 2.3.3色同步信號(hào) 要實(shí)現(xiàn)同步解調(diào)必須在彩色電視機(jī)中設(shè)

11、置一個(gè)副載波產(chǎn)生電路。并且要與已調(diào)色差信號(hào)的副載波同頻同相。因此，在發(fā)端的信號(hào)里，需要一個(gè)色同步信號(hào)。 色同步信號(hào)的幅度與同步脈沖幅度相等,若以h表示同步脈沖幅度,Fb表示色同步信號(hào),則 色同步信號(hào)與彩色電視信號(hào)一起傳送到接收端,彩色電視機(jī)將其從彩色全電視信號(hào)中分離出來,由此去控制接收機(jī)的副載波發(fā)生器,使之產(chǎn)生與發(fā)送端副載波同頻、同相的恢復(fù)副載波。 (221) 圖210 色同步信號(hào) 10個(gè)波 2.3.4 彩條對(duì)應(yīng)的信號(hào)波形及矢量圖 圖211 100%幅度彩條波形圖 (a)Y+Fb+s信號(hào); (b)色度信號(hào)F; 圖211 100%幅度彩條波形圖 (c)Y+F+Fb+s信號(hào)10.33 設(shè)(B-Y)

12、和(R-Y)壓縮系數(shù)分別為x1和 x2，以黃、青為例，則壓縮后黃、青視頻信號(hào)幅度應(yīng)滿足下式關(guān)系，即Y+Fm=1.33。將黃彩條數(shù)據(jù)代入式(222)得：將青彩條數(shù)據(jù)代入式(222)得： 由式(223)和式(224)聯(lián)立求解,可得： x1=0.493 x2=0.877 （2 22）（2 23）（2 24）R圖212 壓縮后的彩條信號(hào)波形 （數(shù)據(jù)如P48表24所示）。 壓縮后的彩條信號(hào)波形圖圖213 彩條色度信號(hào)矢量圖 （彩色鐘）2.4 NTSC制色差信號(hào)及編、解碼過程 2.4.1 I、Q色差信號(hào) 由于人眼對(duì)紅、黃之間顏色的分辨力最強(qiáng);而對(duì)藍(lán)、紫之間顏色的分辨力最弱，NTSC制在色度矢量圖中，以I軸

13、表示人眼最為敏感的色軸，以與之垂直的Q軸表示人眼最不敏感的色軸。 I、Q正交軸與V、U正交軸有33夾角的關(guān)系。通過幾何關(guān)系得出: I=U(-sin33)+Vcos33 Q=Ucos33+Vsin33(225) 利用亮度方程：Y=0.30R+0.59G+0.11B 以及：U=0.493(B-Y) V=0.877(R-Y) 結(jié)合式(22)： R-Y=0.7R-0.59G-0.11B B-Y=-0.3R-0.59G+0.89B 可求出I 、Q與三基色R、G、B的關(guān)系為: Q=0.21R-0.52G+0.31B (227) I = 0.60R-0.28G-0.32B (228) 2.4.2 NTSC制

14、編、解碼方框圖 在編碼器中,R、G、B矩陣電路按亮度方程Y和色差信號(hào)公式對(duì)R、G、B信號(hào)進(jìn)行線性組合,產(chǎn)生I、Q和Y信號(hào)。 副載波形成電路分別輸出相位為33、123、180的三個(gè)副載波,供Q調(diào)制器、I調(diào)制器和色同步平衡調(diào)制器之用。 在解碼器中，先進(jìn)行同步檢波，再由矩陣電路變換成重現(xiàn)圖像所需的RGB信號(hào)。 為什么要有一個(gè)1800的副載波？（行同步頭延遲） 2.4.3 NTSC制的主要參數(shù)及性能 1.主要參數(shù)： 對(duì)于NTSCM制: 場(chǎng)頻fV=60Hz； 行頻fH=525fV/2=15.750kHz； 每幀525行； 圖像信號(hào)標(biāo)稱帶寬為4.2MHz； 伴音與圖像載頻之差為4.5MHz； 彩色副載波頻

15、率fSC=3.58MHz。 圖217 NTSC制彩色全電視信號(hào)頻譜彩色全電視信號(hào)頻譜圖： 2. 主要性能 (1)現(xiàn)有的三種兼容制彩色電視制式中,NTSC制色度信號(hào)組成方式最為簡(jiǎn)單,因而解碼電路也最為簡(jiǎn)單,易于集成化,特別是,在許多場(chǎng)合需要對(duì)電視信號(hào)進(jìn)行各種處理,因而NTSC制在實(shí)現(xiàn)各種處理也就簡(jiǎn)單。 (2)NTSC制中采用1/2行間置,使亮度信號(hào)與色度信號(hào)頻譜以最大間距錯(cuò)開,亮度串色影響因之減小,故兼容性好。 (3)NTSC制色度信號(hào)每行都以同一方式傳送,與PAL制和SECAM制相比,不存在影響圖像質(zhì)量的行順序效應(yīng)(爬行“百葉窗”)。 (4)采用NTSC制一個(gè)最嚴(yán)重的問題,就是存在著相位敏感性

16、,即存在著色度信號(hào)的相位失真對(duì)重現(xiàn)彩色圖像的色調(diào)的影響。2.5 PAL制及其編、解碼過程 NTSC制的主要缺點(diǎn)，就是對(duì)相位失真較為敏感，為了克服這一問題，改進(jìn)并發(fā)展了PAL制。 PAL制是在色度信號(hào)采用正交平衡調(diào)幅的基礎(chǔ)上,使其中一個(gè)色度分量(FV分量)逐行倒相。 2 .5.1 相位失真的概念及影響 彩色電視機(jī)不可能完全正確地重現(xiàn)原景物的亮度、飽和度和色調(diào),因而存在著失真。人眼對(duì)色調(diào)的失真較為敏感。 2.5.2 PAL制色度信號(hào) PAL制獲得色度信號(hào)的方法,也是先將三基色信號(hào)R、G、B變換為一個(gè)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào),然后再用正交平衡調(diào)幅的方法把色度信號(hào)安插到亮度信號(hào)的間隙之中。 PAL色度信

17、號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為: F=FUFV=UsinSCtVcosSCt =Fmsin(SCt ) (229)圖218 隔行掃描逐行倒相的正負(fù)號(hào)改變規(guī)律 (a)奇數(shù)幀; (b)偶數(shù)幀圖218 隔行掃描逐行倒相的正負(fù)號(hào)改變規(guī)律 (a)奇數(shù)幀; (b)偶數(shù)幀 圖219 逐行倒相色度信號(hào)矢量圖(a)任一色調(diào)的色度信號(hào); (b)彩條矢量逐行倒相情況 圖220 逐行倒相實(shí)現(xiàn)框圖 cosSCtsinSCt副載波發(fā)生器 圖221 逐行倒相波形關(guān)系(a)半行頻方波; (b)90移相后的副載波 (c)逐行倒相輸出副載波 圖222 PAL色度信號(hào)頻譜(a)FU分量頻譜; (b)FV分量頻譜; (c)色度信號(hào)F的頻譜 2.5

18、.3 PAL制克服相位敏感的原理 PAL制采用逐行倒相克服相位失真的原理, 如彩色矢量圖所示。 圖223 PAL制克服相位敏感原理(a)相位無失真情況; (b)相位失真情況 2.5.4 PAL制副載波的選擇 在彩色廣播電視系統(tǒng)中,亮度信號(hào)和色度信號(hào)必須共同占用與黑白電視信號(hào)相同的信號(hào)帶寬。副載波的選擇原則應(yīng)使亮度信號(hào)與色度信號(hào)頻譜的主譜線彼此錯(cuò)開，另外，頻率盡量選擇在視頻帶寬的高端。 PAL制采用1/4行間制。1/2行間制1/2行間置時(shí)的頻譜結(jié)構(gòu)1/4行間置時(shí)的頻譜結(jié)構(gòu)1/4行間制 令亮度信號(hào)Y的主譜線nfH位于fsc與(fsc+fH/2)之間，這樣就使亮度信號(hào)Y和兩個(gè)色度信號(hào)分量的頻譜相互錯(cuò)

19、開,那么nfH應(yīng)滿足下述關(guān)系:從而求出: 對(duì)于行頻為15625Hz,場(chǎng)頻為50Hz,標(biāo)稱視頻帶寬為6MHz的系統(tǒng),根據(jù)選擇fSC盡量高的原則,取式(232)中n=284,這樣可以求得副載波頻率為283.75fH。實(shí)際的PAL制電視彩色副載波為： （232） fsc fH /4 fSC +fH/2Y 圖225 PAL亮、色副譜線的相互關(guān)系(a)fSC=283.75fH時(shí)的譜線關(guān)系; (b)增加25Hz后的改善情況V 2.5.5 PAL制色同步信號(hào) PAL制彩色電視接收機(jī)在解調(diào)色度信號(hào)時(shí),需要對(duì)PAL行送-cosSCt副載波,對(duì)NTSC行送+cosSCt副載波。要做到這一點(diǎn),需要有一個(gè)識(shí)別PAL行

20、與NTSC行的識(shí)別信號(hào),即需要在發(fā)送端提供一個(gè)附加信號(hào)色同步信號(hào)。 圖226 PAL制色同步信號(hào) 圖227 PAL制色同步信號(hào)形成方框圖 將K脈沖（頻率=行頻，寬度為2.25uS）以一定極性分別加入兩個(gè)色差信號(hào)中時(shí)，通過正交平衡調(diào)制和混合電路后，在形成色度信號(hào)的同時(shí)也形成了相位逐行倒相的色同步信號(hào)。圖228 PAL色同步信號(hào)矢量圖 2.5.6 PAL制編、解碼過程 1. PAL制編碼器及編碼過程 所謂編碼,就是把三基色電信號(hào)R、G、B編制成彩色全電視信號(hào)FBAS的過程,編碼器就是用來編碼的電路。PAL制編碼器的方框圖如圖229所示。圖229 PAL制編碼器方框圖 (1)將經(jīng)過校正的R、G、B三

21、基色電信號(hào)通過矩陣電路,變換成亮度信號(hào)Y和色差信號(hào)(R-Y)和(B-Y)。 (2)為了減小亮度信號(hào)對(duì)色度信號(hào)的干擾,讓Y信號(hào)通過一個(gè)中心頻率為副載波頻率fSC的陷波器并經(jīng)過放大后與行、場(chǎng)同步及消隱信號(hào)相混合。 (3)色差信號(hào)(R-Y)和(B-Y)經(jīng)幅度加權(quán)和頻帶壓縮后,得到已壓縮信號(hào)U和V。 (4)色度信號(hào)F、色同步信號(hào)Fb、亮度信號(hào)Y與消隱信號(hào)A、同步信號(hào)S經(jīng)混合電路后輸出彩色全電視信號(hào)FBAS。 2. PAL制解碼器及解碼過程 PAL-D制解碼器： 是采用超聲波延遲線構(gòu)成梳狀濾波器，將色度信號(hào)分離為FU、和FV兩個(gè)色度分量； 然后分別送U、V同步解調(diào)器，解調(diào)出U、V色差信號(hào)，再通過矩陣電路，得到G-Y信號(hào)； 亮度通道輸出的Y信號(hào)和三個(gè)色差信號(hào)同時(shí)輸入基色矩陣恢復(fù)電路，輸出R、G、B三基色信號(hào)。 色同步信號(hào)控制副載波的頻率和相位以及PAL開關(guān)、ACC、ACK、ARC等。圖230 PALD解碼器及各點(diǎn)波形 圖232梳狀濾波器方框圖及分離色度信號(hào)原理(a)梳狀濾波器方框圖及分離的波形、頻譜;(b)梳