第3章彩色電視基本原理

1、第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 第第3章章 彩色電視的基本原理彩色電視的基本原理 3.1 色度學(xué)的基本知識色度學(xué)的基本知識 3.2 彩色圖像的分解與重現(xiàn)彩色圖像的分解與重現(xiàn) 3.3 黑白、彩色電視兼容的可能性黑白、彩色電視兼容的可能性 3.4 PAL制彩色全電視信號制彩色全電視信號 3.5 彩色電視機概述彩色電視機概述 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 3.1 色度學(xué)的基本知識色度學(xué)的基本知識 圖 3-1 電磁波的波譜 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 3.1.2 彩色的三要素彩色的三要素 任意一種彩色光，均可用亮度、色調(diào)和色飽和度來表示

2、， 它們又稱作彩色三要素。 亮度是指彩色光對人眼所引起的明亮程度。 當(dāng)光波的能量 增強時，亮度就增加；反之亦然。此外，亮度還與人眼的光譜 響應(yīng)特性有關(guān)，不同的彩色光，即使強度相同，當(dāng)照射同一物 體時也會產(chǎn)生不同的亮度。人眼對550 nm的光波，亮度感 覺最靈敏。 色調(diào)是指光的顏色。紅、橙、黃、綠、青、藍、紫分別表 示不同的色調(diào)。 它是彩色最基本的特性。 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 色飽和度是指彩色的純度，即顏色摻入白光的程度或指 顏色的深淺程度。白光越多色飽和度越低，白光越少色飽和 度越高。白光為零，色飽和度為100%；只有白光，色飽和度 為零。 通常把色調(diào)與色飽和度通

3、稱為色度。 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 3.1.3 三基色原理與混色法三基色原理與混色法 圖 3-2 混色圖 (a) 相加混色圖； (b) 彩色三角形 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 從圖3 - 2(a)得知: 紅光綠光藍光白光 紅光綠光黃光 綠光藍光青光 紅光藍光紫光 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 從配色實驗證明，配出標(biāo)準(zhǔn)E白光所需R、G、B三基色光 通量之比為1 4.5907 0.0601，因此規(guī)定：光通量為1 LTW的 紅光，4.5907 LTW的綠光及0.0601 LTW的藍光各作為一個基 色單位，分別用R、G、B表示。

4、正好配出1份E 白光，其光通量為 5.6508 LTW(=11+14.5907+10.0601)。 符合“等量的 三基色可配成白色”的相加原理。 任意一種彩色光的配色方程可寫為 FL=RR+GG+BB 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 其中，R、G、B表示三基色的三色系數(shù)，它們的比值決定了待 配彩色的色調(diào)。三基色各分量的光通量之代數(shù)和等于該彩色光 的光通量。 例如：R=G=1，B=0.5，則據(jù)式(3-1)有： FL=1R+1G+0.5B =0.5R+0.5G+0.5B+0.5R+0.5G 因此，該彩色光FL為0.5份E白光與0.5份黃光即呈現(xiàn)淡黃色，白 光與色光相等，飽和度為

5、50%，其光通量為 FL=11+14.5907+0.50.0601LTW 由于亮度正比于光通量，因此，待配彩色光的亮度等于各 混合分量亮度的代數(shù)和。 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 3.1.4 亮度方程亮度方程 顯像三基色要混合成白光，所需光通量之比是由所選用的 標(biāo)準(zhǔn)白光和所選三基色的不同而決定的。目前彩色電視中， NTSC制顯像三基色熒光粉配制光通量為1 lm(流明)C白光的方 程式為： Y=0.299R+0.587G+0.114B 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 由于彩色電視制式不同，所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)白光和選擇的顯像三 基色熒光粉也不一樣。 PAL制的亮

6、度方程為 Y=0.222R+0.707G+0.071B 但因NTSC制使用較早，所以PAL制中沒有采用它本身的亮 度方程， 而是沿用了NTSC制的亮度方程。實踐表明，由此引起 的圖像亮度誤差很小，完全能滿足視覺對亮度誤差的要求。 亮度方程通常近似寫成： Y=0.30R+0.59G+0.11B （3-2） 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 在亮度方程中，R、G、B前面的系數(shù)0.30、0.59、0.11分 別代表R、 G、 B三種基色對亮度所起的作用，稱為可見度 系數(shù)。例如，在一個單位亮度的白光當(dāng)中，紅基色對白光亮 度的貢獻為30%，綠基色對白光亮度的作用為59%， 藍基色 對白

7、光亮度的貢獻為11%。 當(dāng)R=G=B=1時，為白光；當(dāng)R、 G、B取不同的值， 可以配出各種不同的顏色，以及飽和度 不同但色調(diào)不變的顏色。 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 在彩色電視信號傳輸過程中，亮度信號和三基色信號以電 壓的形式來代表，亮度方程可改寫成電壓的形式， 即 EY0.30ER+0.59EG+0.11EB 這里，EY、ER、 EG、EB各代表亮度信號、紅信號、綠信 號和藍信號的電壓且分別獨立，已知任意三種，可通過加、減 法矩陣電路來合成第四種。 在后述的討論中，為了書寫方便， 仍把以上四種信號電壓EY、ER、EG、EB分別以Y、R、G、B來 表示。 第3章 彩色

8、電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 3.2 彩色圖像的分解與重現(xiàn)彩色圖像的分解與重現(xiàn) 3.2.1 彩色圖像的分解彩色圖像的分解 3.2.2 彩色圖像的重現(xiàn)彩色圖像的重現(xiàn) 如圖3-3(a)所示。 在接收端，見圖3-3(b)，經(jīng)過傳輸通道，圖像信號又被解 碼器分解為三個基色信號去控制彩色顯像管的三個電子束。 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 圖 3-3 彩色電視傳送的基本過程 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 3.3 黑白、彩色電視兼容的可能性黑白、彩色電視兼容的可能性 3.3.1 色度信號的編碼傳輸色度信號的編碼傳輸 1. 色度信號的編碼色度信號的編碼 重

9、要條件之一就是要求彩色全電視信號和黑白電視信號都 同樣占有6 MHz的帶寬。這就是說，對彩色電視來說，一般不直 接傳送三個基色信號。因為單從占用頻帶來看，為了保證圖像 清晰度， 每一基色信號帶寬應(yīng)與黑白圖像信號相同，則三個基 色所占頻帶總和為18 MHz， 因此，為了達到兼容目的，彩色電 視中最好直接含有僅代表亮度信息而不含色度信息的亮度信號， 然后再選擇兩種基色信號。 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 對于彩色電視機而言，可將亮度信號與被選的兩種基色信 號組合獲得三基色信號送至彩色顯像管。例如，選用Y、R、B 三種信號，G是可以通過亮度方程和已知二基色信號的值解得 的。 但

10、這樣做有個很大的缺點，即亮度信號Y已經(jīng)代表了被傳 送彩色光的全部亮度，而R、B本身也含有亮度，這顯然是多余 的， 且在傳輸過程中易干擾Y信號。為了克服這一缺點，一般 不選基色本身作為色度信號， 而是對基色信號進行編碼，而從 基色信號中減去亮度信號，編碼后的信號稱為色差信號。例如， R-Y, B-Y, G-Y。 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 R-Y=R-(0.3R+0.59G+0.11B)=0.7R-0.59G-0.11B B-Y=-0.3R-0.59G+0.89B G-Y=-0.3R+0.41G-0.11B 由于G-Y信號數(shù)值較小，對改善信雜比不利，G-Y又可由R- Y和

11、B-Y通過簡單的電阻矩陣合成，所以通常只傳送Y，RY和 B-Y這三種信號，而不傳送G-Y信號。其中，Y僅代表亮度信息， R-Y，B-Y代表色度信息。顯然，這給兼容電視提供了方便與可 能。 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 2. 傳送色差信號的優(yōu)點傳送色差信號的優(yōu)點 (1) 兼容效果好 當(dāng)選用Y、R-Y、B-Y三種信號時，Y僅代表被傳送景物的 亮度，而不含色度。而且，當(dāng)所傳送的圖像為黑白圖片時， 色差信號均為零，因為任何黑白圖片僅有亮度明暗的層次變 化，因此它們的三基色信號總是相等的。例如，傳送一灰色 時，其三基色信號為R=G=B=0.4 V，它們合成的亮度信號 Y=0.4 V

12、，所以色差信號R-Y, B-Y也為零。因此，色差信號只表 示色度而不表示亮度。而且三色差信號對亮度的貢獻為零。 0=0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y) 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 (2) 能夠?qū)崿F(xiàn)恒定亮度原理 所謂恒定亮度原理是指：被攝景物的亮度，在傳輸系統(tǒng) 是線性的前提下均應(yīng)保持恒定，即與色差信號失真與否無關(guān)， 只與亮度信號本身的大小有關(guān)。假設(shè)某一時刻為一種偏紫的 紅色，其三基色信號為R=0.7 V，G=0.4 V，B=0.5 V，由式(3- 2)，合成的Y=0.5，根據(jù)色差定義，可用矩陣電路合成得到紅 色差信號和藍色差信號為 R-Y=0.7-0

13、.5=0.2V B-Y=0.5-0.5=0 V 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 如果我們選用Y、R-Y、B-Y三種獨立信號代表彩色信息， 并將它們送至接收端，再利用矩陣電路同樣可以將以上三信 號相加獲得R、B基色信號為0.7 V、0.5 V，同時，也可按式 (3-6)合成綠色差信號： G-Y=-0.51(R-Y)-0.19(B-Y)=-0.11 V 然后再與亮度信號Y相加得到綠基色信號為0.39 V，所恢 復(fù)的三基色信號重現(xiàn)的亮度仍是0.5 V。 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 在傳輸過程中，假若Y信號無失真仍為0.5，而色差信號受 干擾，R-Y由0.2

14、 V變?yōu)?.3 V，B-Y由0 V變?yōu)?.2 V，則它們合成 的G-Y=0.510.3-0.190.2=-0.191 V，在接收端已失真的色差 信號與未失真的亮度信號合成后形成的三基色信號為： R=(R-Y)+Y=0.3+0.5=0.8 V G=(G-Y)+Y=-0.191+0.5=0.309 V B=0.2+0.5=0.7V Y=0.30.8+0.590.309+0.110.7=0.5V 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 (3) 有利于高頻混合 選用色差信號是有利于高頻混合的。為了在接收端能夠得 到帶寬為6 MHz的三個基色信號，只要將窄帶的色差信號混入一 個6 MHz全帶

15、寬的亮度信號就可以達到混合高頻的目的。用亮度 信號中的高頻分量代替基色信號中未被傳送的高頻分量，可用 公式表示如下： MHzMHzMHz MHzMHzMHz MHzMHzMHzMHzMHz YBB YGG YRYYRR 63 . 13 . 1060 63 . 13 . 1060 63 . 13 . 10603 . 1060 )( 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 3.3.2 頻帶壓縮與頻譜間置頻帶壓縮與頻譜間置 在我國彩電制式中，規(guī)定色度信號帶寬壓縮到1.3 MHz。 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 2. 頻譜間置頻譜間置 (1) 亮度信號的頻譜分析 圖圖

16、 3-4 簡單圖像信號波形和頻譜簡單圖像信號波形和頻譜 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 如圖3-4所示的圖像信號就分別是按幀頻fZ重復(fù)的周期方波， 即場頻脈沖或行頻脈沖，其周期分別是TZ和TH，而這些方波又 可以按傅里葉級數(shù)分別展開為： ttttY ttttY HHH ZZZ 5sin 5 1 sin 3 1 sin 2 2 1 5sin 5 1 sin 3 1 sin 2 2 1 ）（ ）（ 或 mn tmnj mn ZH eCtY , )( ）（ 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 (2) 頻譜間置 圖 3-5 亮度與色度信號頻譜間置示意圖 第3章 彩色

17、電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 3. 彩色電視全射頻電視信號的頻域示意圖彩色電視全射頻電視信號的頻域示意圖 圖 3-6 彩電電視全射頻電視信號頻域圖 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 3.3.3 NTSC制編碼的調(diào)制與解調(diào)基本原理制編碼的調(diào)制與解調(diào)基本原理 圖圖 3-7 正交平衡調(diào)制原理正交平衡調(diào)制原理 (a) 正交平衡振幅調(diào)制方框圖；正交平衡振幅調(diào)制方框圖； (b) 色信號色信號F的矢量圖的矢量圖 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 圖3-7(b)畫出了色度信號F的矢量圖，圖中，對角線的長度 代表色度信號F的幅值，反映了色飽和度的變化，而是F的相 角

18、，反映了色調(diào)的變化，的矢量式為： YB YR YBYRF FYBYRF arctan )()( )()( 22 式中： 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 由于正交平衡調(diào)幅實際上是一個乘法器， 對于單頻正 弦波的調(diào)幅信號sintcos0t來說，根據(jù)三角函數(shù): tttt)sin( 2 1 )sin( 2 1 cossin 000 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 圖 3-8 正弦波和矩形波對載波進行平衡調(diào)幅后的波形和頻譜 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 矩形波調(diào)制載波后的平衡調(diào)幅波的特點是： 平衡調(diào)幅波的振幅與載波信號振幅無關(guān)，而與調(diào)制信 號

19、振幅成正比；當(dāng)調(diào)制信號為零時，平衡調(diào)幅波的幅度也為 零。 因調(diào)制器實際是一個乘法器：因而當(dāng)調(diào)制信號電壓為 正值時，平衡調(diào)幅波與載波同相；當(dāng)調(diào)制信號電壓為負值時， 平衡調(diào)幅波與載波反相。當(dāng)調(diào)制信號經(jīng)過零點， (以周期調(diào)制 信號為標(biāo)準(zhǔn))平衡調(diào)幅波相位變化180。 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 從高頻電子技術(shù)中得知，普通調(diào)幅波的特點是： 其振幅由載波信號振幅和調(diào)制信號振幅共同決定， 當(dāng)調(diào)制信號振幅為零時，普通調(diào)幅波的振幅等于載波振幅。 從頻率上看， 普通調(diào)幅波仍以載波周期為周期。 調(diào)幅波的包絡(luò)隨調(diào)制信號而變化， 其包絡(luò)代表原調(diào) 制信號。 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電

20、視基本原理 圖 3-9 正交解調(diào)原理方框圖 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 現(xiàn)以(B-Y)藍色差解調(diào)為例，簡要地分析一下解調(diào)過程。 )2cos1 ( 2 2sin 2 sin)(sincos)(sin t YB t YB tYBttYRtF SCSC SCSCSCSC 通過低通濾波器后，高頻被旁通，從而獲得(B-Y)/2藍色 差信號。 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 3.3.4 PAL制彩色電視編碼與解碼原理制彩色電視編碼與解碼原理 1. 逐行倒相逐行倒相 PAL制基本上采用了NTSC制的各項技術(shù)措施，并增加了 一些技術(shù)措施來克服NTSC制中對相位失真較

21、敏感的缺點。 它 是采用色差信號(R-Y)和(B-Y)作為色度信號的兩個分量。 兩 個色差信號均占用01.3MHz，且幅度按百分比進行壓縮， 即 )(877. 0 )(493. 0 YRV YBU VUSCSC FFtVtUFcossin 則 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 當(dāng)掃描順序為第n行時，F(xiàn)V=VcosSCt；當(dāng)掃描順序為n+1 行時，F(xiàn)V=V cos (SC+180)t，即當(dāng)?shù)趎行FV的相位為90， 則第n1行的為270(或-90)，第n2行的相位又回到90 如此反復(fù)進行，而矢量FU的相位是不隨掃描行序改變的，因 此，相加后色度信號的相位也是逐行改變的，其數(shù)學(xué)表達

22、式 為 )(sin cos)(sin cossin ttF tVttU ttUF SC SCkSC SCSC 式中: U V tt VUF k arctan)()( 22 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 圖 3-10 逐行倒相矢量圖與開關(guān)函數(shù)波形圖 (a) 逐行倒相矢量圖； (b) 開關(guān)函數(shù)波形圖 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 圖 3-11 PAL制編碼的調(diào)制原理框圖 2. PAL制編碼的調(diào)制、制編碼的調(diào)制、 解調(diào)原理解調(diào)原理 (1) PAL制編碼器 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 (2) PAL制解碼器 圖 3-12 逐行倒相正交

23、同步解調(diào)原理 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 3. PAL制頻譜間置原理制頻譜間置原理 圖 3-13 半行頻間置的頻譜和行頻間置 (a) 逐相倒相后仍用半行頻間置的頻譜； (b) PAL制的信號頻譜采用1/4行頻間置 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 PAL制采用1/4行頻間置，副載波頻率為 MHzfffnf HHHSC 75593433. 475.283 4 1 284 4 1 實際上，為了減小副載波對亮度信號的干擾，改善兼容性， PAL制副載頻附加了25 Hz，稱為半場頻間置，即選擇 MHzHzff HSC 618433. 42575.283 第3章

24、彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 4. PAL制梳狀濾波器解碼原理制梳狀濾波器解碼原理 圖 3-14 梳狀濾波器的原理框圖 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 由于利用超聲玻璃延時線來實現(xiàn)紅、 藍兩色度分量的分 離，因此稱作延時解調(diào)器。又由于延時解調(diào)器的幅頻特性是 梳狀的，故又稱作梳狀濾波器。其解調(diào)分離原理如下： 設(shè)第n行色度信號為 tVtUF SCSCn cossin 由于V信號逐行倒相， 所以第n-1行色度信號為 tVtUF SCSCn cossin 1 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 這樣，F(xiàn)n-1信號經(jīng)過延時器延時63.943s(約延時64

25、s)再反 相后正好和Fn同時到加法器和減法器中，經(jīng)相加式相減可得: USCnn VSCnn USCnn VSCnn FtUFF FtVFF FtUFF FtVFF 2sin2)( 2cos2)( 2sin2)( 2cos2)( 1 1 1 1 同理： 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 5. 超聲玻璃延時線超聲玻璃延時線 超聲玻璃延時線的典型參數(shù)如下： 延時時間： 63.943 s3 ns； 工作頻率： 4.43 MHz1 MHz； 插入損耗： -83 dB； 工作溫度： -1050； 輸入輸出阻抗： 390 ； 最大輸入電壓： 6 V。 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色

26、電視基本原理 圖 3-15 五次反射片狀超聲延時線的結(jié)構(gòu)與符號 (a) 結(jié)構(gòu)； (b) 符號 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 3.4 PAL制彩色全電視信號制彩色全電視信號 3.4.1 彩色圖像信號分析彩色圖像信號分析 1. 三基色信號波形分析與參數(shù)三基色信號波形分析與參數(shù) (1) 彩條圖形 圖3-16(b)、 (c)、 (d)分別表示R、 G、 B三基色信號。 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 圖 3-16 三基色信號波形及其對應(yīng)的彩條圖形 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 (2) 參數(shù)介紹 彩條信號的主要參數(shù)有相對幅度、 飽和度和頻帶

27、寬度。 其相對幅度、飽和度的計算公式如下： %1001 %100 第三個數(shù)碼 第四個數(shù)碼 飽和度 第一個數(shù)碼 第三個數(shù)碼 相對幅度 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 2. 標(biāo)準(zhǔn)彩條的亮度與色差信號波形標(biāo)準(zhǔn)彩條的亮度與色差信號波形 由于電視臺送出的彩色信號是兩個色差信號和一個亮度 信號，所以可根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)彩條信號的規(guī)定，利用亮度方程 算出各種規(guī)范彩條信號的Y， (R-Y)和(B-Y)。例如：在 100/0/100/0彩條中，黃色彩條對應(yīng)的數(shù)據(jù)R=G=1，B=0， 算 89. 0 11. 0 89. 0011. 0159. 0130. 0 YB YR Y 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 表表 3-1 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 圖圖 3-17 亮度與色亮度與色 差信號波形差信號波形 第3章 彩色電視的基本原理 第3章彩色電視基本原理 3. 彩條圖形的色度信號波形特點與矢量圖彩條圖形的色度信號波形特點與矢量圖 (1) 彩