運(yùn)用MATLAB學(xué)習(xí)彩色全電視信號的編碼、解碼及頻譜分析

1、電 視 原 理運(yùn)用MATLAB學(xué)習(xí)彩色全電視信號的編碼、解碼及頻譜分析院系： 專業(yè)： 姓名： 2011年6月5日編碼及其頻譜分析【摘要】MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，算

2、法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。Simulink®是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。.【關(guān)鍵字】：MATLAB 、Simulink、信號處理、數(shù)據(jù)分析PAL制彩色電視編碼原理：PAL是英文（逐行倒相）Phase Alte

3、rnation Line 的縮寫。所以按照其特點PAL制又可稱之為“逐行倒相正交平衡調(diào)幅”制。PAL制彩色全電視信號由亮度信號、色度信號、色同步信號、復(fù)合消隱信號和復(fù)合同步信號組成。經(jīng)過圖象信號處理后的三基色信號和各種同步信號同時送入PAL編碼器，經(jīng)過一系列的處理加工后，即可形成PAL制彩色全電視信號。具體過程如下：校正的三基色信號R、G、B由矩陣電路變成亮度信號Y、藍(lán)色差信號（BY）和紅色差信號RY。在亮度通道中，設(shè)置有副載波陷波器和延遲線，前者是為了減少進(jìn)入接收機(jī)色度通道的亮度串色，后者是為了均衡色度信號因頻率受限而在時間上產(chǎn)生的延遲。通過陷波器和延遲線的Y信號，再經(jīng)放大、鉗位等處理電路，

4、并混入復(fù)合消隱信號（BL）和復(fù)合同步信號（S）后，便形成黑白全電視信號（VBS）。色度通道里，（RY）、（BY）先經(jīng)帶寬（1.3MHz）限制，并壓縮為V、U信號，再由鉗位電路鉗定零電平，然后進(jìn)入平衡調(diào)幅器，變成紅色度信號和藍(lán)色度信號，兩者相加并經(jīng)低通或者帶通濾除調(diào)制中產(chǎn)生的諧波之后，形成色度信號F。色度信號F、色同步信號Fb、亮度信號Y與消隱信號BL、同步信號S經(jīng)混合后輸出彩色全電視信號FBAS。PAL制編碼方框圖：MATLAB編碼仿真的編碼電路：一、兼容制傳送方式1、要實現(xiàn)彩色與黑白電視兼容，彩色電視要滿足以下基本條件：（1）彩色電視信號必須包含一個亮度信號，即黑白全電視信號； （2）必須包

5、含彩色信號，它僅代表色度，可與亮度信號迭加在一起傳送。在接收端又可以被分開，同時二者互不干擾。（3）彩色電視必須與黑白電視具有相同的基本參量。如掃描頻率、方式、帶寬、同步信號組成、圖像載頻、伴音載頻及圖像、音的調(diào)制方式。2. 高頻混合原理。謂高頻混合原理，是指在彩色電視的傳輸中，利用人眼對彩色細(xì)節(jié)分辨力低于對亮度細(xì)節(jié)分辨力的特性， 將色差信號采用4 窄帶傳送，而亮度信號采用寬帶傳送。在接收端，基色信號也只恢復(fù)規(guī)定帶寬以下的低頻分量。反映在畫面上，是重現(xiàn)彩色圖像的粗線條，即大面積的色調(diào)，而圖像的細(xì)節(jié)，即高頻成份則由同一亮度信號的高頻分量代替，這就是高頻混合原理。3.頻譜交錯原理 色差信號的頻帶雖

6、經(jīng)壓縮， 但由于彩色電視信號中的亮度信 號頻譜已占用 6MHZ 帶寬，因而只有設(shè)法將色度信號的頻譜插到 亮度信號頻譜的間隙，使色度信號不占有額外的頻帶，才能做到 彩色電視信號只占 6MHZ 的頻帶范圍，從而滿足與黑白電視兼容 的條件。 二、亮度與色差信號為了實現(xiàn)兼容，彩色電視廣播必須傳送一個亮度信號。由于彩色攝像機(jī)產(chǎn)生的是R、G、B三基色。根據(jù)三基色與三要素的關(guān)系可知，混合光的亮度為三基色光的亮度之和。又根據(jù)人眼相對視敏度特性可知，紅、綠、藍(lán)三基色信號中的亮度成分又是不一樣的，視敏度高的基色（如綠色）含有的亮度成分多一些。紅基色信號（R）、綠基色信號（G）、藍(lán)基色信號（B）可按這個比例混合，可

7、獲得一個亮度信號（Y），即亮度方程式為：Y=0.30R 0.59G+ 0.11B1、亮度信號產(chǎn)生：R、G、B、Y：2、色差信號（R-Y）、（B-Y）的產(chǎn)生：R-Y、B-Y：三、色度信號與色同步信號色差信號的頻帶雖經(jīng)壓縮，但由于彩色電視信號中的亮度信號頻譜已占用6MHZ帶寬，因而只有設(shè)法將色度信號的頻譜插到亮度信號頻譜的間隙，使色度信號不占有額外的頻帶，才能做到彩色電視信號只占6MHZ的頻帶范圍，從而滿足與黑白電視兼容的條件。色度信號不能直接簡單與亮度信號疊加，因為這樣做的話色度信號的頻譜將與亮度信號頻譜重合，產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾?？刹捎玫姆椒ㄊ?，選擇一個合適的載頻，通常稱為副載波，以fsc表示。亮度

8、信號頻譜與色度信號的頻譜是互相交錯的，如下圖所示：采用正交平衡調(diào)幅制處理色差信號的過程相關(guān)電路圖如下：壓縮后的色差信號分別為：U=0.493（B-Y）V=0.877(R-Y)色度信號Fv和Fu的形成：Fu=UsinSCtFv=VcosSCt這兩個平衡調(diào)幅信號頻率相等,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：F=UsinSCt+VcosSCtF常被稱為已調(diào)色差信號或色度信號，壓縮后的色差信號V與+K脈沖混合后與+cossct副載波同時加入平衡調(diào)幅器，經(jīng)平衡調(diào)幅電路輸出已調(diào)色差信號+Fv和色同步信號的Fbu分量；色差信號U與-K脈沖混合后，對sinsct平衡調(diào)

9、幅,得到已調(diào)色差信號Fu和色同步信號Fbu分量。以上二色度信號分量與色同步信號分量混合后，得到色度信號F和色同步信號Fb。為得到逐行倒相的正交副載波+cossct，需設(shè)置90°移相、180°倒相和PAL開關(guān)電路、逐行倒相的半行頻（7.8kHz）開關(guān)控制信號。運(yùn)用MATLAB仿真得到V和U再進(jìn)行平衡條幅波形如圖所示：從上到下依次為U Fu V Fv四、色同步信號Fb的形成由于PAL制中對V色度分量即FV進(jìn)行了逐行倒相, 所以在接收端還要使逐行倒相復(fù)原。因此, 要由色同步信號提供一個識別信號, 用它來保證收、發(fā)兩端的逐行倒相開關(guān)(PAL開關(guān))步調(diào)一致, 即同步。 色同步信號是由

10、8-12個副載波周期組成的一小串副載波群，其出現(xiàn)周期與行周期相同，且位于行消隱的后肩上，電路如下圖：色同步信號前沿滯后行同步脈沖前沿5.6us，色同步信號的幅度與行同步脈沖幅度相等五、全電視信號FNAS的形成色度信號F、色同步信號Fb、亮度信號Y與消隱信號A、同步信號S經(jīng)混合電路后輸出彩色全電視信號FBAS。此FBAS信號是色差信號進(jìn)行幅度壓縮形成U、V色差信號后, 由已調(diào)的紅、藍(lán)兩個色度分量疊加形成色度信號, 再與亮度、 同步、消隱等其它信號混合而成。MATLAB仿真FBAS電路和FBAS波形和各分信號波形如圖所示：圖中從上到下一次是：FBAS F+Fb Y+A+S F Fb彩色圖像信號包括

11、亮度信號與色度信號。從頻域來看, 亮度信號與色度信號頻譜交錯 從時域來看, 色度信號疊加在亮度信號電平上, 它們疊加后的信號波形如圖圖1-18所示。它們與掃描所需的同步信號、 色同步信號以及消隱信號合成了彩色全電視信號(即FBAS), 再去調(diào)制圖像載波。 我國彩色電視標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定, 采用負(fù)極性調(diào)制。 負(fù)極性亮度信號仍以掃描同步電平最高為100%, 黑電平為76%, 白電平最低為20%, 以便于增大色度信號不失真的動態(tài)范圍編碼過程中的各信號的頻譜分析所謂頻譜，就是電信號的能量按頻率分布的曲線。全電視信號的頻譜，應(yīng)是它所包含的主體信號與輔助信號的頻譜之和。編碼頻譜分析就是對MATLAB仿真電路中的R

12、信號、G信號、B信號、亮度信號Y和消隱信號A、色度信號、色同步信號F、同步信號S和FBAS信號的各個頻譜進(jìn)行分析的過程。MATLAB編碼頻譜分析仿真電路如圖所示：1、亮度信號Y的頻譜分析亮度信號Y的頻譜分析圖如下圖所示：由圖可看出亮度信號是含有直流成分，亮度信號的主要參數(shù)有相對幅度、 飽和度和頻帶寬度，亮度信號與色差信號頻譜波形相似, 只是幅值不同而已。放大后可以看到它的主譜線和副譜線。2、色差信號R-Y和B-Y的頻譜分析 （1）色差信號R-Y的頻譜分析圖如圖所示：由圖可看出色差信號是交流信號（2）色差信號B-Y的頻譜分析圖如圖所示：由圖可看出色差信號是不含有直流成分，是交流信號，奇對稱。在不

13、計較顯像管失真及傳輸系統(tǒng)非線性失真的情況下還可以證明色差信號受到干擾時，將不影響亮度信號，也不反映到圖像的亮度上。3、色度信號F、Fu和Fv的頻譜分析（1）色度信號F的頻譜分析圖如圖所示：（2）色度信號Fv的頻譜分析圖如圖所示：由圖可看出色度信號是不含有直流成分的，色度信號的主要參數(shù)有相對幅度、 飽和度和頻帶寬度，色度信號的頻譜圖, 代表各彩條的色度信號的振幅和相位, 不同色調(diào)的矢量處在平面不同位置上，雖然被傳送的彩色都是100%飽和度, 但色度信號的長度不盡相同，只有互補(bǔ)的兩個彩色矢量長度是相同的, 因為互補(bǔ)的二色相加應(yīng)為白色, 即此二色的色度信號矢量之和應(yīng)為零。色調(diào)相同而飽和度不同的彩色,

14、 其色度信號的初相角不變。4、全電視信號FBAS的頻譜分析全電視信號FBAS的頻譜分析圖如圖所示：從圖中可以看出基波頻率為15625行頻，它是視頻單極性信號, 既有直流成分, 又含有交流成分, 且是上下不對稱的信號, 占有06MHz的頻帶寬度。對靜止的圖像而言, 其電視信號以幀為周期重復(fù), 其場間、行間相關(guān)性也較大 對活動圖像而言, 則可說是幀間、 行間相關(guān)性較大的非周期信號, 但其同步與消隱信號仍是周期性的。解碼及其頻譜分析PAL制解碼器及解碼過程：把彩色全電視信號還原成三基色電信號的過程稱為解碼，解碼是編碼的逆過程。它將色度信號分離為FU和±FV 兩個色度分離。PAL制解碼器框圖

15、及各波形：MATLAB仿真的解碼電路如圖所示：具體解碼過程分析如下： 一、 （Y+A+S）與（F+Fb）的分離從預(yù)視放輸出的彩色全電視信號FBAS，經(jīng)過4.43MHz陷波器和色度帶通濾波器進(jìn)行頻率分離，將FBAS分離成亮度信號色度信號兩部分。 （1）、用頻率分離的方法將FBAS分離為亮度信號、 復(fù)合同步信號（Y）與高端的色度信號(A)、 色同步信號（S）。 在亮度通道中，經(jīng)4.43MHz的陷波器，將彩色全電視信號中的色度信號濾除，保留亮度信號。濾除了色度信號后的亮度信號Y，經(jīng)0.6秒的延遲電路延時后再送入Y信號放大器進(jìn)行亮度放大，后送基色矩陣電路。如圖： 仿真電路如圖：（2）、用時間

16、分離的方法, 將色度信號F和色同步信號Fb分開，在色度通道前，設(shè)置有一中心頻率為4.43MHz，帶寬約為2.6MHz的帶通濾波器，它從全電視信號中分離出色度信號。用一個帶通濾波器, 其通頻帶的中心頻率也為色副載波, 并具有色度信號占有的帶寬, 從彩色全電視信號中選出色度信號。用MATLAB連接仿真電路及波形分別如圖所示：FBAS F+Fb Y+A+S F Fb 頻域相同但時域錯開的色度與色同步信號，經(jīng)色同步選通電路，將色同步信號與色度信號分開。由于色度信號在行掃描正程出現(xiàn)，色同步信號在行逆程出現(xiàn)，故只要用兩個門電路，就可將二者按時間分離法進(jìn)行分離。這兩個門電路在控制脈沖控制下交替導(dǎo)通即可實現(xiàn)兩

17、種信號的分離二、 梳狀濾波器分離色度信號原理       梳狀濾波器的任務(wù)是將色度信號中的兩個分量FU與±FV分離。由此可以有效地分離開兩個色差分量FU和±FV。如圖：PAL制的特殊電路是梳妝濾波器，由它完成獎色度信號中的兩個分量Fu與+Fv分離。這樣可有效地消除簡單解碼電路中未能解決的亮、色串?dāng)_。仿真電路如圖：三、用頻率和相位雙重分離的方法, 將色度信號中的兩個正交分量U、 V信號分開為了使梳狀濾波器能有效地分離兩個色度分量，延時線的延遲時間要有準(zhǔn)確的數(shù)值，即延時后色度信號的副載波相位要與延時前相同或相反（相位差

18、為0°或180°），以實現(xiàn)相鄰兩行色度信號相減或相加時能分別輸出兩色度分量之一。色度信號經(jīng)延時解調(diào)器, 也稱梳狀濾波器分離出兩個色度分量Fu和±Fv由于利用超聲玻璃延時線, 來實現(xiàn)紅、 藍(lán)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,方框圖分別如下: 設(shè)第n行的色度信號為Fn=U sinSCt+V cosSCt 上一行的色度信號應(yīng)為F n-1=Usin SCt-V cosSCt 這樣, F n-1信號經(jīng)過延時線延時63.943s (約郵4s)再反相后, 則-Fn-1=-U sin SCt+V cosSCt

19、經(jīng)相減或相加可得Fn -(-F n-1)=2UsinSCt=2FU Fn+(-F n-1)=2VcosSCt=2FV 同理: Fn+1-(-Fn)=2U sinSCt=2FU Fn-1 +(-Fn)=-2VcosSCt=-2FV用MATLAB仿真原理電路說明和U和V信號分離前后的波形分別：U Fu V Fv四、 色差信號的同步解調(diào)        梳狀濾波器輸出的±FV信號經(jīng)V同步解調(diào)器，輸出V信號；梳狀濾波器輸出的FU信號經(jīng)U同步解調(diào)器，輸出U信號。解調(diào)器輸入、輸出波形如圖所示： 仿真電路如圖：五、由Y,U,V,通過解碼矩陣

20、電路得到R,G,B亮度通道輸出的Y信號和色度通道輸出的U、V信號同時輸入基色矩陣電路，經(jīng)基色矩陣電路分解，輸出R、G、B三基色信號。其輸入、輸出波形如：用MATLAB仿真R、B和G波形如圖所示：色同步信號與副載波壓控振蕩器輸出的信號同時送鑒相電路,二者進(jìn)行相位比較后,輸出一個與之相差成正比的直流控制電壓,由它再去控制壓控振蕩器,使其輸出副載波頻率和相位與發(fā)射端相同。 所恢復(fù)的副載波，一路直接送U平衡解調(diào)器，另一路先經(jīng)PAL開關(guān)逐行導(dǎo)向后，再經(jīng)90°移向送V平衡解調(diào)器。半行頻的7.8kHz開關(guān)信號亦由鑒相電路取得，經(jīng)PAL識別電路后去控制PAL開關(guān)。色同步信號同時還要送ACC（自動色飽

21、和度控制）、ACK（自動消色）、ARC（自動清晰度控制）等。解碼頻譜分析解碼頻譜分析就是對MATLAB解碼仿真電路中的FBAS信號、亮度信號Y、色度信號F、Fu和Fv、色度信號F和色同步信號Fb、（色度信號）F+Fb（色同步信號）+Y（亮度信號）、色度信號和色同步信號（S）、Fu和Fv信號、U和V信號和RGB三基色信號的頻譜進(jìn)行分析的過程。MATLAB編碼頻譜分析仿真電路如圖所示： 解碼頻譜分析圖1、FBAS全電視信號的頻譜分析FBAS全電視信號的頻譜分析如圖所示： FBAS信號的頻譜分析圖由圖可看出FBAS是交流信號，放大后可以看到它的主譜線和副譜線。色度信號的載頻就是副載頻f SC, 每當(dāng)

22、色度信號變化一周, 相當(dāng)于屏幕上顯示出一亮點與一暗點, 這樣, 每掃描一行將出現(xiàn)200多個亮點, 又因一行中所包含的副載波周期并不是整數(shù), 相鄰行光柵上出現(xiàn)的干擾亮點并不是排列整齊的。2、亮度信號Y的頻譜分析 亮度信號的頻譜分析圖由圖可看出亮度信號Y含有直流成分。亮度信號與色度信號錯開fH, 兩色度信號間錯開 。 3、色度信號F、Fu和Fv的頻譜分析（1）色度信號F的頻譜分析圖如圖所示： 色度信號F的頻譜分析（2）色度信號Fv的頻譜分析圖如圖所示由圖可以看出色度信號是交流信號，每隔一個行頻有一個最大傳輸點；每兩個最大傳輸點是中心是吸收點，兩個吸收點的間距也是一個行頻。這樣的兩個輸出對應(yīng)的最大傳

23、輸點與吸收點互相交錯，并分別對準(zhǔn)Fu和±Fv的主譜線。 在最大傳輸點對準(zhǔn)Fu主譜線的特性時，其吸收點也正好對準(zhǔn)±Fv的主譜線；又由于±Fv系逐行倒相的，才使兩個色度分量的主譜線正好錯開半行。4、U和V信號頻譜分析U和V信號頻譜分析如圖所示： U信號的頻譜 V信號的頻譜從圖中可以看出U、V信號不含直流成分。U、V和Y信號都是時間的函數(shù), 因電視掃描是周期性的, 這使得它們的頻譜是由以行頻fH為間距的一束束譜線所組成, V、U和Y的頻譜圖如圖。由于主譜線兩邊的幀頻諧波邊帶相對于行頻實際上是很窄的, 且其幅度相對于主譜線幅度也很小, 衰減也很快, 所以圖中只畫出了它們的主譜線。5、色差信號R-Y、B-Y的頻譜分析色差信號R-Y、B-Y的頻譜分析如圖所示：從圖中可以看出色差信號不含直流成分。6、R、G和B三基色信號頻譜分析RGB頻譜分析如圖所示： R信號的頻譜G信號的頻譜B信號的頻譜從圖可以看出RGB含有直流成分。微分相位失真只與亮度電平有關(guān), 相鄰兩行上相鄰像素的亮度總是差不多的。至此解碼及其頻譜分析結(jié)束。小結(jié)PAL制的特點  (1) 克服了NTSC制相位敏感的缺點。PAL制使彩色相序逐行改變，使串色極性逐行取反，