《彩色電視機原理與應(yīng)用》課件-04兼容制彩色電視制式、編碼與解碼

1、第四章 兼容制彩色電視制式、編碼與解碼 4.1 黑白、彩色電視兼容的可能性4.2 兼容制彩色電視制式4.3 PAL制彩色電視編碼與解碼原理4.4 梳狀濾波器解碼原理復(fù)習(xí)思考題 14.1 黑白、彩色電視兼容的可能性4.1.1 亮度與三基色信號的關(guān)系;由前面的討論可知, 亮度信號E-Y可以采用單個攝像管對景物的亮度攝取, 如?黑白電視攝像機一樣。但目前彩色攝像機通常由三只攝像管組成, 對彩色景物攝取并分別得到三基色電信號ER、 EG、EB, 它們反映了景物各像素的亮度、色調(diào)及色飽和度的變化信息。 如果將三基色信號分別控制顯像管的三個電子束流, 那么, 將在彩色顯像管相應(yīng)位置上, 重現(xiàn)該景物的亮度、

2、色調(diào)及色飽和度。 其重現(xiàn)的亮度是符合亮度方程的。2換句話說, 三基色信號以不同比例代數(shù)相加, 便可以合成亮度信號, 此亮度信號正是黑白電視系統(tǒng)中所需要的圖像信號, 它代表景物的亮度變化信息, 即: EY=0.30ER+0.59EG+0.11EB (4-1) 式中三個系數(shù)之和等于1, 如果ER、EG、EB都相等且為1 V, 則EY也是1V, 即由它們給出的亮度總和為白色; 如果ER 、 EG 、 EB相等但相對值小于1而大于0, 則EY是灰色; 當ER 、EG 、 EB均為0, 則EY是黑色。 所以, 不論明亮程度如何, 對于黑白圖像, 三基色信號值相等且與亮度信號相同。 如果三基色分量不相等,

3、 三基色信號的比例反映色調(diào), 它們按(4- 1)式規(guī)定比例相加, 和值代表此時彩色景物相應(yīng)點呈現(xiàn)的亮度。 例如, ER =0.7V, EG =0.6V, EB =0.2 V, 此彩色的總亮度信號為 EY=0.30.7+0.590.6+0.110.2=0.586 V 3 該彩色的色調(diào)為橙色, 因為等量的三基色光各取0.2V相混將得到低亮度白光, 剩下0.5 V紅基色與0.4 V綠基色, 因其紅比例大于綠而呈現(xiàn)橙色, 顯然該彩色飽和度低于100%。 由上可知, ER、 EG、 EB、 EY四種信號只有三種是獨立的, 已知任意三種, 就可以通過加減法矩陣電路來合成第四種。 由于各項的系數(shù)均小于1,

4、所以, 可以由一些簡單的電阻分壓電路構(gòu)成的電阻矩陣電路來產(chǎn)生。 ;顯然, 這給兼容電視提供了方便與可能, 為了書寫方便, 今后把以上四種信號EY 、 ER、 EG 、 EB分別用Y、 R、 G、 B來表示。 44.1.2 色度信號的編碼傳輸一、 色度信號的編碼要實現(xiàn)彩色與黑白電視的兼容, 彩色電視信號中應(yīng)當含有僅代表亮度信息而不含有色度信息的亮度信號, 然后再選擇兩種基色信號。 這樣, 黑白電視機可直接收看彩色電視信號; 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。 例如二基色信號可選用R、 B, 或R、 G、 或G、 B, 第三個基色的大小可由亮度

5、方程和已知二基色的值解得。 但這樣選擇的色度信號有個很大的缺點, 即亮度信號Y已經(jīng)代表了被傳送彩色光的全部崐亮度, 而R、 B或其它兩個基色本身也包含有亮度, 顯然是多余的, 且在傳輸過程中易干擾Y信號。 5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, 即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, 這三種色差信號同樣可以用三基色信號按一定比例合成。 只要將(4- 1)式從各基色信號中減去, 便有色差信號與三基色信號之間的關(guān)系如下:R-Y=0.7R-0.59G-0.11BJY(4- 2)B-Y=-0.3R-0.59

6、G-0.89BJY(4- 3)G-Y=-0.3R+0.41G-0.11BJY(4- 4) 由于G-Y信號數(shù)值較小, 對改善信雜比不利, 同時可由簡單的電阻矩陣實現(xiàn)R-Y, B-Y和G-Y的變換, 所以, 通常傳送Y, R-Y和B-Y, 其中Y代表亮度信息, R-Y, B-Y代表色度信息。 6二、 傳送色差信號的優(yōu)點; 1.兼容效果好;當選用Y、 R-Y、 B-Y三種信號時, Y僅表示被傳送景物的亮度, 而不含色度, 例如傳輸一灰色時, 其三基色信號為R=G=B=0.5 V, 它們合成的亮度信號Y=0.5 V。 色差信號必然為零, 而色差信號只表示色度不表示亮度, 只要將(4-1)式的左邊移到右

7、邊, 加以整理便可得0=0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y) (4-5)這就是說, 在(4-5)式中, 三色差信號對亮度的貢獻為零, 所以色差信號的失真不會影響亮度。 因此, 黑白電視機只接收彩色電視臺中的Y信號, 其效果與收看黑白電視臺一樣, 不受色差信號的干擾, 能正常重現(xiàn)原圖像的亮度, 所以, 其兼容效果好。 7 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)是線性的前提條件下均應(yīng)保持恒定, 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)。下面舉一例來說明: 假設(shè)某時刻為一種偏紫的紅色, 其三基色信號為R=0.7 V, G=0.4

8、V, B=0.5V, 由(4-1) 式可知, 合成的Y=0.5V, 根據(jù)色差信號的定義, 我們可用矩陣電路合成得到紅色差信號和藍色差信號為 R-Y=0.7-0.5=0.2V B-Y=0.5-0.5=0V8如果我們選用Y、R-Y、B-Y三種獨立信號代表彩色信息, 并將它們傳送至接收端, 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、 0.5V, 同時, 也可按下式合成綠色差信號: G-Y=-0.51(R-Y)-0.19 (4-6)然后再與亮度信號Y相加獲得綠基色信號G為0.4V, 所恢復(fù)的三基色信號重現(xiàn)的亮度與Y=0.5 V相同。 在傳輸過程中, 假若Y信號無失真仍為0

9、.5V, 而紅色差信號受干擾變?yōu)?.3V, 藍色差信號受干擾變?yōu)?.2V, 則它們合成的綠色差信號將變?yōu)?0.191V, 在接收端已失真的色差信號與未失真的亮度信號合成形成的三基色信號為9R=0.3+0.5=0.8VG=-0.191+0.5=0.309VB=0.2+0.5=0.7 V顯然, 色調(diào)有失真, 紅色更加偏紫了, 但它們按(4-1)式合成的亮度信號Y仍然為0.5V, 即此時所顯示的亮度仍然與失真前的相同。這個道理很容易由(4-5)式得到證明, 即色差信號的失真不會影響亮度, 正是由于此, 使得兼容性得到改善。 應(yīng)當指出, 電視傳輸系統(tǒng)并不是線性的, 因顯像管存在失真, 在發(fā)送端必須進行

10、校正, 這會給恒定亮度原理帶來一定的影響。 我們知道, 被攝彩色景物的亮度信號Y與三基色信號間的關(guān)系是Y=0.3R+0.59G+0.11B 10經(jīng)正確的校正后形成的正確的亮度信號應(yīng)該是 Y =(0.3R+0.59G+0.11B) (4-7)但在實際的彩色電視中, 亮度信號是從經(jīng)過校正后的三基色信號而得到的, 崐因此, 實際的亮度信號可表示為 (4-8)在傳送黑白圖像時, R=G=B, 由(4-7)式和(4- 8)式計算的結(jié)果相等, 即Y=Y , 說明Y具有正確的幅度, 在黑白和彩色電視機中都能顯示出正確的亮度。在傳送彩色圖像時, R、 G、 B不相等, 則按(4-8)式所確定的實際亮度信號Y的

11、幅度總是小于按(4-7)式所確定的正確亮度信號 的應(yīng)有值。 11但在實際的彩色電視中, 亮度信號是從經(jīng)過校正后的三基色信號而得到的, 因此, 實際的亮度信號可表示為Y=0.3R+0.59G+0.11B =0.3R +0.59G +0.11B (4-8)在傳送黑白圖像時, R=G=B, 由(4- 7)式和(4- 8)式計算的結(jié)果相等, 即Y=Y 說明Y具有正確的幅度, 在黑白和彩色電視機中都能顯示出正確的亮度。 在傳送彩色圖像時, R、 G、 B不相等, 則按(4-8)式所確定的實際亮度信號Y的幅度總是小于按(4-7)式所確定的正確亮度信號 的應(yīng)有值。12經(jīng)理論計算表明: 就各種高飽和度的彩色而

12、言, 重現(xiàn)亮度都比原來的真正亮度要低, 其中, 尤以藍色和紅色的誤差最大。 用黑白電視機接收彩色信號時, 彩色圖像的亮度低于應(yīng)有亮度, 說明了“恒定亮度原理” 失效, 不過, 在實際圖像中, 高飽和度彩色是不多見的, 大量的是低飽和度彩色和中性色(白、 灰、 黑), 因而其亮度誤差一般是不大的, 還不致于明顯地降低圖像的質(zhì)量, 通常不考慮這種失真。133.有利于高頻混合;高頻混合原理又叫做大面積著色原理, 是根據(jù)人眼分辨彩色差別的能力要比分辨亮度差別的能力低得多的這一特點, 傳送亮度信號時占有全部視頻帶寬6 MHz, 而傳送色度信號則利用較窄的頻帶1.3 MHz, 這樣, 接收機所恢復(fù)的三個基

13、色信號只包含較低的頻率成分, 反映在畫面上, 是表示大面積的色調(diào), 而圖像的細節(jié), 即高頻成分, 則由亮度信號來補充。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6 MHz的三個基色信號, 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, 用公式表示如下: 14 可見, 在進行高頻混合時, 亮度信號中1.3 MHz以下的低頻成分不再重復(fù)出現(xiàn) , 以免造成色度失真, 如果直接用R、B等基色信號傳送, 則在高頻混合時, 低頻分量的亮度會重復(fù)出現(xiàn)而造成彩色失真 。4.1.3 頻帶壓縮與頻譜間置; 一、 頻帶壓縮;由上可知, 我們選用亮度信號Y和兩色差信號(R-Y)、 (B-Y)

14、作為彩色電視信號, 如果不加任何限制和處理的話, 則彩色電視信號的總頻帶過寬, 技術(shù)上實踐有困難, 更無法實現(xiàn)兼容, 所以, 必須壓縮彩色電視信號的頻帶寬度。15由于彩色電視的清晰度是由亮度信號的帶寬來保證的, 所以, 彩色電視信號中的亮度信號不能壓縮, 保持6MHz的帶寬, 而彩色并不表示圖像的細節(jié), 可將彩色信號的頻帶加以壓縮, 不必傳送色度信號的高頻分量。 實踐證明: 將色度信號頻帶壓縮到11.5 MHz, 重現(xiàn)彩色圖像效果已能滿足要求, 我國彩電制式中, 規(guī)定色度信號帶寬為1.3 MHz。 16 二、 頻譜間置;色差信號的頻帶雖經(jīng)壓縮, 但仍與頻帶寬度為6MHz的亮度信號重疊, 這樣不

15、僅互相干擾, 而且接收端也無法將它們區(qū)分開。那么, 如何使亮度、 色度共用6MHz帶寬而不相互干擾 為解決這一問題, 我們先介紹一下有關(guān)頻譜分析的概念。 頻譜就是電信號的能量按頻率的分布, 也就是信號的頻域表示法。 對于給定的信號波形(時域表示)求出其頻譜(頻域表示)叫做頻譜分析。 基本的方法是付氏級數(shù)展開法。實際上, 所有周期信號的頻譜都是離散譜, 而所有非周期信號的頻譜都是連續(xù)譜。必須指出, 信號的頻譜和通道的幅頻特性是崐兩個不同的概念, 前者是信號本身的屬性, 后者則是電路(放大器、 濾波器等)的特性。 17由于采用了周期性掃描, 所以黑白電視圖像信號可以看成是周期性的。 因而, 它們的

16、頻譜集中在行頻各次諧波附近, 且是一簇一簇的離散譜, 信號中的諧波頻率越高, 其幅頻衰減越大, 雖然它們占據(jù)06 MHz的帶寬, 但在各譜線之間的一段間隔內(nèi)并無譜線; 同亮度信號一樣, 色度信號也具有同樣的周期性, 因為它也是按同一幀頻和行頻掃描出來的, 所以色度信號的譜線也是一群一群的離散譜, 群與群之間的間距也是行頻。 因此, 可以在亮度信號的頻譜間隙里穿插色度信號的頻譜。 或者說, 色度信號的頻譜, 正如農(nóng)作物的間種法一樣, 可以使它們相互錯開。 18實現(xiàn)頻譜間置最簡單的方法是將色差信號進行一次調(diào)制, 只要適當選擇其調(diào)制載頻便可以使已調(diào)色差信號的頻譜與亮度信號頻譜交錯, 如圖4-1所示。

17、 其中, 色差信號調(diào)制所用載波信號稱為副載波, 我國彩色電視所選擇的副載波頻率為fSC =4.433 618 75 MHz, 圖4-1示出的副載波頻率fSC正好是行頻fH的283.5倍, 因此, 可將色差信號頻譜搬到亮度頻譜間隔的中央, 接收機能夠根據(jù)它們頻率分量不同, 而將它們分離,合理使用了6MHz的頻帶, 有利于兼容。 19圖 4-1 頻譜交錯 20 4.1.4 彩色電視全射頻電視信號頻域圖;彩色全電視信號(FBAS)是由黑白全電視信號與色度信號疊加而成的, 仍采用殘留邊帶發(fā)送, 它與高頻伴音信號合在一起稱為彩色電視全射頻電視信號, 其頻譜示意圖如圖4-2所示。由圖可見, 其頻帶寬度和頻

18、道劃分與黑白電視完全一樣, 僅在高頻端色差信號對副載波是雙邊帶調(diào)幅, 由上可知, 色度信號與亮度信號頻譜交錯, 互不干擾, 所以, 黑白、彩色電視完全可以兼容。 圖中, fS仍表示FM制伴音信號載頻, 它比圖像載頻fP仍高6.5 MHz。 21224.2 兼容制彩色電視制式4.2.1 正交調(diào)制解調(diào)基本原理;前面我們已經(jīng)介紹過的頻譜間置概念, 僅是一個色差信號進行調(diào)制的情況, 而實際上有兩個色差信號, 怎樣把兩個色差信號同時調(diào)制到一個彩色副載頻上 又如何將這兩個色差信號的頻譜相互錯開呢 正交調(diào)制是一種簡便且行之有效的方法, 它是將兩個色差信號(R-Y)和(B-Y)分別調(diào)制在頻率相同, 相位相差9

19、0的兩個色副載波上, 再將兩個輸出加在一起。 在接收機中, 則根據(jù)相位的不同, 從合成的副載波已調(diào)信號中可分別取出兩個色差信號, 因此, 這種調(diào)制既能在一個副載波上互不干擾地傳送而且便于解調(diào)分離, 又不增加頻帶。為了減小副載波對圖像的光點干擾, 這里采用平衡調(diào)幅制, 即采用抑制副載波的調(diào)幅式。 23色差信號的正交平衡調(diào)制的方框圖如圖4- 3所示, 它由兩個平衡調(diào)幅器, 副載波90移相器和線性相加器等部分組成。 實際上, 平衡調(diào)幅器是一個乘法器, 它的輸出是兩個輸入信號的乘積。 圖 4-3 正交平衡調(diào)制原理 24設(shè)基準副載波的幅值為1, 色差信號(B-Y)與基準副載波sinSCt在(B-Y)平衡

20、調(diào)幅器中相乘后, 輸出藍色度分量(B-Y) sinSCt, 基準副載波sinSCt經(jīng)90移相后, 變成sinSCt, 它與色差信號(R-Y)在(R-Y)平衡調(diào)幅器中相乘后, 輸出紅色度分量(R-Y) cosSCt, 它們相互正交, 在線性相加器中相加, 就得到色度信號為F=(B-Y)sinSCt+(R-Y) cosSCt (4-12) 顯然, 色度信號是兩個已調(diào)色差信號即兩個色度分量的矢量和。 圖4- 3(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, 而是F的相角, 其矢量式為 25(4-13) 由此可見, 彩色圖像的色度信息全部包含在色度信號的振幅與相角之中, 因為

21、振幅 取決于色度信號的幅值, 因此, 它決定了所傳送彩色的飽和度, 而相角取決于色差信號的相對比值, 因而它決定了彩色的色調(diào), 這就是說, 色度信號既是一個調(diào)幅波, 又是一個調(diào)相波, 色飽和度是利用已調(diào)副載波的幅值來傳送的, 而色調(diào)是利用已調(diào)副載波的相位來傳送的。 26由于平衡調(diào)幅波的包絡(luò)不再是原來調(diào)制信號的波形, 因此, 不能用包絡(luò)檢波的方法檢出調(diào)制信號。 所以, 要將色度信號F還原為(B-Y)和(R-Y)兩個色差信號, 則必須用正交解調(diào)器 , 它實際上也是一種乘法器, 因此, 正交解調(diào)器也稱為乘法檢波器。 在接收機中, 要實現(xiàn)乘法檢波, 必須產(chǎn)生彩色副載波, 它的頻率和相位要嚴格地和正交平

22、衡調(diào)制器中的彩色副載波一致。 并同樣地分成兩個互相垂直的分量, 然后將副載波的這兩個分量分別和已調(diào)色度信號相乘, 再經(jīng)低通濾波器取出色差信號。 乘積式同步解調(diào)器(正交解調(diào))原理框圖如圖4- 4所示。 27圖 4-4 正交解調(diào)原理方框圖 284.2.2 PAL制、 NTSC制和SECAM制的共性與不同特點簡單地講, 當今世界三大彩色電視廣播制式的共性是: 它們都與原來的黑白電視相兼容, 且都是用攝像機攝取三基色信號, 并把這三基色信號編碼成一個亮度信號Y和色差信號(R-Y)、 (B-Y)來傳送, 其主要差別體現(xiàn)在兩個色差信號對副載波的調(diào)制方式上。 一、NTSC制的特點;NTSC制于1953年在美

23、國開始廣播, 是較早應(yīng)用于彩色、黑白兼容的彩色電視制式。為了壓縮頻帶, 又能獲得良好的圖像質(zhì)量, NTSC制有如下的特點: (1) NTSC制采用的頻帶寬度為4MHz, 掃描行數(shù)為525行, 掃描場數(shù)為60場, 可以與原黑白電視相兼容。 29(2) 根據(jù)人眼的視覺對亮度細節(jié)較敏感, 對彩色細節(jié)不敏感的特性, 將亮度信號以寬頻帶傳送(04MHz), 以窄帶傳送(01.5 MHz)色度信號。(3) 采用頻譜間置技術(shù), 副載頻選為fSC=3.579 545 MHz。 (4) 選用Y、I、Q作為傳輸信號, 其中Y仍為亮度信號, I、 Q為色差信號, 它是色差信號(R-Y)和(B-Y)的一種線性組合。

24、它們之間的關(guān)系由下式確定: I=0.877(R-Y) cos33-0.493(B-Y) sin33 (4-14) Q=0.877(R-Y) sin33+0.493(B-Y) cos 33 (4-15) 上式表明: I色差信號的矢量超前(R-Y)矢量33, 并處在紅黃色區(qū)域, Q色差信號的矢量超前(B-Y)矢量33, 并處在藍紫色區(qū)域。 如圖4- 5所示, I、Q仍為互相正交。 30圖 4-5 I、Q與(R-Y)、 (B-Y)色差矢量的關(guān)系 31這里之所以不用藍色差與紅色差信號, 而用I、Q色差信號, 是因為人眼分辨紅、 黃之間顏色變化的能力最強, 而分辨藍與紫色之間顏色變化的能力最弱, 這樣,

25、 在傳輸分辨力弱的Q信號時, 可用較窄的頻帶(00.5MHz), 而傳送分辨力強的I信號時, 可用較寬的頻帶(01.5MHz)。 用亮度方程式(4- 1)代入(4-14)、(4-15)式, 即可得到Y(jié)、 I、 Q與三基色的關(guān)系式:I=0.6R-0.28G-0.32B (4-16) =0.21R-0.52G+0.31B (4-17) 顯然, 在傳送黑白信號時, 由于R=G=B, 所以色差信號I、Q均為0, 減少了色度信號與亮度信號之間的干擾。 32(5) 采用正交平衡調(diào)幅, 把兩個色差信號調(diào)制在副載波上, 色度信號Q分量用雙邊帶方式傳送, 而I分量用殘留邊帶傳送。 這樣做, 既可以使色度信號的帶

26、寬得到壓縮, 又能保證正常的彩色傳送, 同時, 色度與亮度信號之間干擾較小。(6) 在三大兼容制中, NTSC制色度信號的處理過程最為簡單, 因而相應(yīng)的解碼電路也簡單, 這給接收機生產(chǎn)帶來方便, 有利于降低成本。(7)NTSC制的主要缺點是對相位敏感, 容易出現(xiàn)彩色變色。換句話說, 傳輸過程中所產(chǎn)生的相位失真將導(dǎo)致色調(diào)變化。 33二、SECAM制特點;SECAM制是為了克服NTSC制相位失真的缺點而由法國人研制出來的。主要特點如下: (1) 在SECAM制中, 傳輸信號仍采用亮度信號Y, 色差信號(R-Y)和(B-Y), 但兩色差信號不是和亮度信號同時傳送的, 而是將兩個色差信號(R-Y)和(

27、B-Y)逐行輪換對兩個副載波(f1=4.025MHz, f2=4.40625MHz)進行調(diào)頻后, 并疊加在逐行傳送的亮度信號上一起傳送的。也就是說, 在第n行時傳送(R-Y)調(diào)頻信號, 第n+1行時傳送(B-Y)調(diào)頻信號, 而亮度信號則是每一行都傳送, 在任一行時間內(nèi), SECAM制信號中, 只存在一個亮度信號和某一個色差信號。 所以不會發(fā)生互相串色的現(xiàn)象。34(2) 在SECAM制中, 由于色差信號對彩色副載波采用了調(diào)頻方式, 并且調(diào)頻信號在進行頻率檢波之前, 可以進行限幅, 所以, 色度信號對相位失真不敏感。 (3) 在SECAM制中, 色度信號采用了調(diào)頻制, 由于調(diào)頻為連續(xù)頻譜, 故不能

28、采用副載頻偏置以實現(xiàn)色度信號和亮度信號的頻譜交錯, 因而其兼容性比NTSC制和PAL制稍差一些。 35(4) SECAM制的解碼和其它制式的解碼器一樣, 亮度信號Y和兩個色差信號(R-Y)、 (B-Y)在一行時間內(nèi)必須同時存在, 以恢復(fù)和重現(xiàn)彩色圖像所必須的R、G、B三基色信號。 由于SECAM制在一行時間內(nèi)只有一個色差信號被傳送這一特點, 所以, 在解碼器中, 根據(jù)圖像信號行間的相關(guān)性, 采用64s延時線, 將收到的信號存儲一行時間, 以使每一行所傳送的色差信號可以使用兩次, 在被傳送行使用一次, 在未被傳送行用延時線的存儲特性再使用一次, 這正好取得在一行時間內(nèi)所缺少的那一個色差信號, 從

29、而實現(xiàn)了在一行時間內(nèi)Y、 (R-Y)、 (B-Y)的同時存在。由于每傳送一行色差信號要利用兩次, 所以這種制式的彩色垂直清晰度降低一半。 36 三、PAL制及其特點;PAL制也是為了克服NTSC制相位敏感性于1962年在原西德研制出來的一種兼容彩色電視制式, 實際上它是NTSC制的一種改進。這種制式將在下節(jié)詳細敘述。其特點如下:;(1) 采用色差信號(R-Y)和(B-Y)作為色度信號的兩個分量, 都用01.5 MHz的帶寬, 雙邊帶方式傳送。(2) 傳送時, 將兩個色差信號之一的(R-Y)信號逐行倒相180, 接收后再將(R-Y)信號相位復(fù)原。由于將(R-Y)信號逐行倒相180進行傳送, 則在

30、相鄰行上的相位誤差可以相互補償, 當出現(xiàn)微分相位失真時, 可以保持色調(diào)不變。(3) 亮度信號與色度信號頻譜交錯, 相互干擾小, 可以實現(xiàn)分離。 37(4) 存在“百葉窗”效應(yīng), 當梳狀濾波器的直通信號與延時輸入信號間存在幅度誤差, 或延時存在誤差, 或傳輸通道有相位誤差, 或存在通道頻率失真, 都會引起兩色差信號間互相串擾, 也可以說, 將導(dǎo)致兩分量分離不徹底。又因串擾也是逐行倒相的, 造成相鄰兩行間色度信號的亮度差異較大, 人眼對亮度差異較敏感而產(chǎn)生對圖像有明暗相間的水平條紋, 這種明暗相間的水平線條因隔行掃描而向上蠕動, 故稱“爬行”, 該水平條紋類似于百葉窗, 故又稱作“百葉窗”效應(yīng)。

31、也可以說PAL制電視將NTSC制存在的色調(diào)失真轉(zhuǎn)換成“爬行”現(xiàn)象, 當然在實際中可以利用調(diào)整來使此現(xiàn)象消失或減至不明顯。38總之, 上述三種制式都是行之有效的彩色電視制式, 經(jīng)多年的使用, 都積累了崐相當豐富的經(jīng)驗, 單從技術(shù)性能方面比較, 決不能得出完全肯定或完全否定某一制式的結(jié)論。 實際上, 各國在選定制式時往往受到各方面因素的制約, 而決非都是出于技術(shù)考慮。 394.3 PAL制彩色電視編碼與解碼原理4.3.1 逐行倒相; 一、 色度信號的壓縮;為了實現(xiàn)兼容, 在彩色電視制式中規(guī)定, 負極性亮度信號仍以掃描同步電平最高, 若以它為100%, 則黑色電平即消隱電平為76%, 白色電平為20

32、%。 由于彩色全電視信號是由色度信號與黑白全電視信號相加而成, 如果不經(jīng)任何處理, 則疊加后的結(jié)果使得色度信號的動態(tài)范圍超出了黑白電平的范圍。 當色度信號超過白電平時, 將對發(fā)射機中的調(diào)制器產(chǎn)生過調(diào)失真; 當色度信號高于同步電平時, 色度信號將會被切割出來破壞接收機的同步。40為此, 我們規(guī)定, 色度疊加在亮度電平的最高值, 應(yīng)比同步電平低5.5%, 色度信號的最低電平應(yīng)在零以上, 規(guī)定高于1.5%, 即把色度信號壓縮到白黑電平范圍的33%。按上述條件, 我們很容易計算出被壓縮了的藍色差信號和紅色差信號, 分別用U和V表示為U=0.493(B-Y)= (4-18)V=0.877(R-Y)= (

33、4-19)41用壓縮后的U、 V信號去調(diào)制兩個互相正交的副載波, 便得到兩個已調(diào)色度分量: FU色度分量與FU色度分量, 即 FU=U sinSCt (4-20) FV=V cosSCt (4-21)將它們相加便獲得色度信號, 其數(shù)學(xué)表達式為: F=FU+FV =其中: =arctg SC為副載波頻率。 其矢量式為F=U+V (4-23) (4-22)42二、 逐行倒相;PAL制是在NTSC制的基礎(chǔ)上加一個逐行倒相的改進措施, 所以稱為逐行倒相正交平衡調(diào)幅制。所謂逐行倒相, 是將色度信號中的一個分量, 即第二分量FV逐行倒相。具體地說, 當掃描順序為第n行時, FV等于VcosSCt, 即相當

34、于矢量V的相位是90當掃描順序為第n+1行時, FV等于Vcos(SCt+180), 相當矢量V倒相變?yōu)?70; 當掃描到第n+2行時, 矢量V的相位又變回到90。如此反復(fù)進行。而矢量U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)表達式為 43F=U sinSCt V cosSCt = U sinSCt +K(t)Vcos SCt =|F|sinSCt +(t) (4-24)其中:(t)=K(t) arctg k(t)稱為開關(guān)函數(shù), 為半行頻方波, 幅值為1, 反映了逐行倒相, 當取值為+1時, 即未倒相行Fn, 稱為NSTC行; 當取值為-1時, 即倒相

35、行Fn+1稱為PAL行。顯然, 對于任一色度信號, Fn與F n+1矢量以水平軸U鏡像對稱。其矢量圖和K(t)波形圖如圖4-6所示。 44圖 4-6 逐行倒相矢量圖與開關(guān)函數(shù)波形圖 45三、PAL制對相位失真的補償原理;傳輸系統(tǒng)各單元的線性相位失真, 在多山地區(qū)或高層建筑物附近信號傳播過程發(fā)生多經(jīng)相位干擾, 接收機中副載波恢復(fù)電路的相位誤差等等。 采用逐行倒相的結(jié)果都能使這些相位誤差互補抵消, 現(xiàn)以微分相位失真的改善來說明逐行倒相克服相位失真原理。所謂微分相位失真, 是管子在大信號工作狀態(tài)下出現(xiàn)的非線性失真。 它的特點與信號電平有關(guān), 因為在大信號工作狀態(tài)下, 容易進入管子特性曲線的非線性部分

36、, 將使頻率相同的信號因電平不同產(chǎn)生不同的相移, 這種取決于特性曲線的非線性的相位失真, 就稱為微分相位失真。46色度信號是疊加在亮度信號上傳送的, 亮度信號隨圖像內(nèi)容的變化忽大忽小, 使色度信號在管子的特性曲線上來回移動, 于是信號的相移隨亮度信號電平而變, 因而產(chǎn)生了色調(diào)失真。 這種微分相位失真, 不能用簡單的相位校正網(wǎng)絡(luò)來校正。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, 它們的色度信號的微分相位失真也就基本相同, 假設(shè)都滯后一個相角, 如圖4-7所示。對紫條的色度信號, 其NTSC行本來是Fn,但滯后相角就成了Fn, 而PAL行本來是Fn+1, 但滯后相角就成

37、了Fn+1, 這個Fn+1矢量的FV分量在接收機中又被倒相, 于是變成了Fn+1, Fn和Fn+1恰好對稱地位于Fn的兩旁, 經(jīng)平均后, 色調(diào)將準確地重現(xiàn)為原來的色調(diào)(紫色), 即使相位誤差高達40, 47圖4-7 相位失真的互補48Fn幾乎是藍色, Fn+1幾乎是紅色, 平均起來還是紫色, 換句話說, 合成的色度矢量與原色度矢量相位相同, 即與Fn重合。但是, 合成色度矢量F合的長度減小了cos倍, 也即其飽和度下降了, 越大, 其飽和度下降得越多, 所以, 校正相位失真, 是以色飽和度下降為代價的。值得慶幸的是, 人眼對色飽和度的變化不那么敏感, 一般地, 當不太大時, 色飽和度的變化就更

38、不易覺察。 這里所說的平均, 是用人眼的生理混色特性實現(xiàn)的。 實際上在接收機中, 這種平均是通過延時分離電路來完成的。 不論采用何種平均方法, 其原理是相同的, 即PAL行的相位失真效果與NTSC行相反, 使得色調(diào)畸變得到了校正。 494.3.2 PAL制編碼調(diào)制原理;同NTSC制編碼器一樣, PAL編碼器的任務(wù)也是將攝像機攝取的三個基色信號R、G、B編制成彩色全電視信號。PAL制編碼器的組成框圖如圖4- 8所示, 與NTSC制編碼器相比, 只多了一個PAL開關(guān), 它把加于V平衡調(diào)制器的副載波逐行倒相, 其開關(guān)電壓由k(t)脈沖來控制, 編碼器的主要工作過程如下:;(1) 將R、G、B三個基色

39、信號通過矩陣電路, 變換成亮度信號Y和色差信號U、 V。(2) U和V信號通過低通濾波器, 只保留1.3 MHz以下的低頻信號。50(3) 把帶寬限制后的U、 V信號送入U和V平衡調(diào)制器, 對零相位的副載波和90相位的副載波進行平衡調(diào)幅, 分別輸出FU和FV色度分量。 (4) 為了使亮度信號對色度信號的干擾在電視上看不出來, 所以, 在亮度通道中設(shè)有一個中心頻率為色副載波頻率的陷波器。 由于色差信號通過低通濾波器后, 一定會引起附加延時, 為了使亮度信號和色度信號在時間上一致, 須將亮度信號加以適當延時, 延時量約為0.6 s。(5) 將FU 、 FV兩個色度分量與亮度信號Y在線性相加器中疊加

40、, 其輸出便是彩色全電視信號。 51圖 4-8 PAL制編碼調(diào)制原理框圖 52 4.3.3 逐行倒相正交同步解調(diào)原理;解碼是編碼的逆過程, 它把彩色全電視信號還原成三基色信號。PAL解碼崐器有各種類型, 我們以目前廣泛應(yīng)用的PALD又稱為延時線型PAL解碼器為例, 說明其工作原理。PALD解碼器原理框圖如圖4- 9所示。 53圖4-9 PALD解碼器原理框圖54主要工作過程如下:(1) 首先通過頻率分離, 把彩色全電視信號分離為亮度信號和色度信號。 用一個陷波器, 其陷波頻率為色副載頻, 從彩色全電視信號中濾去色度信號, 得到亮度信號。 用一個帶通濾波器, 其通頻帶的中心頻率也為色副載波, 并

41、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。(2) 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, 其工作原理將在下節(jié)詳細介紹。55(3) 為了從色度分量FU和FV中解調(diào)出兩個色差信號, 要各用一個同步解調(diào)器, 同步解調(diào)原理前已敘述, 不過, 這里要注意的是紅色差信號同步解調(diào)器輸入信號是逐行倒相的, 無論是PAL行還是NTSC行, 解調(diào)器輸出均為正極性紅色差信號(R-Y), 因此, 該同步解調(diào)器的插入副載波的倒相次序應(yīng)與輸入的FV分量一一對應(yīng), 否則, 將會產(chǎn)生很大的色調(diào)失真。(4) 將亮度信號Y和兩個色差信號(R-Y)、 (B-Y)送入矩陣電路, 還原成三

42、個基色信號R、 G、 B, 送至彩色顯像管。 56 4.3.4 PAL制頻譜間置原理;如前所述, 為了兼容, 將使彩色電視信號總頻帶與黑白電視信號頻帶相同。 通常將已壓縮的色度信號頻譜插入亮度信號頻譜的間隙之中,以實現(xiàn)亮度、 色度信號的頻譜交錯。 SECAM制是將兩種已調(diào)色差信號從時間上分開, 避免兩種色度分量的互相干擾, 而NTSC制中兩色度分量的頻譜是重合的, 只不過是相位不同。我國采用的PAL制由于采用了逐行倒相正交平衡調(diào)幅, 只要合理選擇副載波的頻率, 就可以將FU、k(t)FV與Y三種信號的主譜線互相錯開, 做到互不干擾。 57一、PAL制紅、 藍兩色度分量的主譜線分析;我們知道,

43、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4-10(a)、(e)、(g)所示。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。U信號對副載波進行平衡調(diào)幅, 所產(chǎn)生的FU色度分量的頻譜如圖4-10(b), 是由對稱分布在副載頻fSC兩邊的旁頻帶fSCnfH組成。 58由式(4- 24)可知, 色度信號F中除了含有色度信息U、 V之外, 還有開關(guān)信息k(t), 這是PAL信號與NTSC信號的區(qū)別所在。它是時間t的奇函數(shù),

44、 經(jīng)付氏級數(shù)展開可知, k(t) 頻譜由半行頻的奇數(shù)倍的頻率成分所組成, 這些頻率包括: (n=0, 1, 2, ) 其頻譜圖如圖4-10(c)所示。 59k(t)對副載波進行平衡調(diào)幅后所獲得的逐行倒相副載波的頻譜如圖4-10(d)所示, 它是由對稱分布在副載頻fSC兩旁的旁頻帶 組成。 故第一對譜線與副載頻的間隔為 , 而其余頻譜間隔為fH。由于逐行倒相的紅色差分量k(t)FV=Vk(t) cosSCt, 所以, k(t) FV信號相當于將V色差信號對k(t) cosSCt信號進行平衡調(diào)幅。 調(diào)幅后所包含的頻率成分為其頻譜如圖4- 10(f)所示。 頻譜中, 兩個邊帶的第一個頻率分量為 ,

45、與副載頻相距半行頻 , 而邊帶其余各分量以fH間置, 可見與圖4-10(d) 頻譜位置一致。 60圖 4-10 PAL制頻譜間置圖 61通過上面分析可知, 由于PAL制對副載波采用逐行倒相, 使得紅、藍兩個色度分量FU、k(t)FV不但相位正交, 而且它們的主譜線互相錯開 。二、 副載波的選擇;副載波選擇的基本原則是使亮度信號Y和色度信號F譜線分開。在NTSC制中, 彩色副載波的頻率選為半行頻的奇數(shù)倍, 即 62已調(diào)色度信號頻譜正好插在兩相鄰行亮度頻譜的中間, 并以最大間距拉開, 使色度信號對亮度信號的干擾最小。但色度信號中的U、V分量頻譜位置相同, 只是二者相位正交。 在PAL制中, 如果仍

46、和NTSC制一樣采用“行頻間置”, 將使得V信號譜線與亮度信號Y的譜線重疊在一起, 形成很強的副載波干擾。 由于亮度信號Y的頻譜分布是由行掃描周期決定的, 主頻譜處在nfH頻率點上, 主譜線間隔為fH, 無法改變, 而U、V分量的頻譜分布與所選擇的副載頻有關(guān), 因此, 只能重新選擇一個合適的副載頻, 使得Y、U、V三個信號的頻譜相互錯開。 在PAL制中, 副載頻采用行頻間置, 即63間置后的頻譜如圖4-10(h)所示。由圖可知, 亮度信號與色度信號錯開fH, 兩色度信號間錯開 。 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25Hz, 稱為半場頻間置, 即選擇

47、f SC=283.75 fH +25 Hz=4.433 618 75 MHz4.43 MHz64原理簡述如下:當黑白電視機接收彩色電視信號時, 由于色度信號與亮度信號疊加在一起, 對黑白電視機而言, 無法濾除色度信號, 將會通過視頻放大加至顯像管, 由上述分析知, 副載頻是行頻的283.75倍, 或說TH=283.75 TSC, 而色度信號的載頻就是副載頻f SC, 因此, 每當色度信號變化一周, 相當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, 相鄰行的起始光點對應(yīng)位置相差 的

48、時間, 因此, 整個屏幕上的干擾亮點傾斜排列, 加上正交調(diào)制的色度信號中紅、 藍兩色度分量所形成的亮點斜紋左右方向正好相反, 在屏幕上形成網(wǎng)紋亮點干擾, 這些亮點還因隔行掃描每場亮點相對位置又不同, 造成低速移動的亮點干擾網(wǎng)紋, 使人眼非常疲勞。 65如果使副載波附加25 Hz, 相當于使副載波每場增加半周, 那么, 副載波的相位是逐場反相, 這樣使屏幕出現(xiàn)光點干擾的位置上的亮暗變化逐場交替, 或者說, 在奇場時屏幕上某一位置上出現(xiàn)一亮點, 則偶場時在此位置出現(xiàn)暗點, 利用人眼的惰性作用就感覺亮點減少。 同時, 增加25Hz后, 將使亮點網(wǎng)紋的移動速度加快, 也使人眼感覺光點干擾減少, 由此可

49、見, 對副載頻的精確度要求是非常高的, 一般為15Hz。 664.4 梳狀濾波器解碼原理 4.4.1 紅藍兩色度分量分離原理;在PALD解碼器中, 我們已經(jīng)提到過梳狀濾波器, 它是解碼器中的核心部分, 主要功用是利用電視信號的行間相關(guān)性, 從色度信號中分離出紅、 藍兩色度分量。梳狀濾波器的原理框圖如圖4-11所示。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)分離原理敘述如下: 67圖 4-11 梳狀濾波器原理框圖 68設(shè)第n行的色度信號為Fn=U sinSCt+V cosSCt (4-2

50、5) 上一行的色度信號應(yīng)為F n-1=Usin SCt-V cosSCt (4-26)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 (4-27)經(jīng)相減或相加可得 Fn -(-F n-1)=2UsinSCt=2FU (4-28)Fn+(-F n-1)=2VcosSCt=2FV (4-29) 69同理: Fn+1-(-Fn)=2U sinSCt=2FU (4-30) Fn-1 +(-Fn)=-2VcosSCt=-2FV (4-31) 可見, 從減法器和加法器分別輸出色度分量FU和逐行倒相的色度分量FV, 且幅度都增

51、加一倍。 4.4.2 超聲玻璃延時線; 一、 結(jié)構(gòu)超聲玻璃延時線的結(jié)構(gòu)如圖4-12(a)所示, 它由一塊長約40mm, 寬約30mm, 厚約0.8mm的玻璃片(一般采用溫度系數(shù)小的光學(xué)玻璃)和兩個換能器組成。通常換能器由壓電陶瓷材料做成, 實現(xiàn)電能與機械能之間的相互轉(zhuǎn)換。70換能器與玻璃間由極薄的粘貼層連接。為了使超聲波按規(guī)定的路徑傳輸, 減少不規(guī)則反射帶來的干擾雜波, 在玻璃介質(zhì)中加有吸聲材料。吸聲材料由橡膠、 環(huán)氧樹脂和鎢粉配制而成。為了減小外界因素對延時線特性的影響, 通常把超聲延時線全部用塑料密封起來。超聲延時線在電路中常用圖4-12(b)所示的符號來表示。 71圖 4-12 超聲玻璃

52、延時線的結(jié)構(gòu)與符號 72 二、 超聲玻璃延時線的工作原理;超聲玻璃延時線是延時解調(diào)器的主要部件。 它與LC集中參數(shù)延時線相比, 具有延時時間長, 電氣性能好, 體積小, 重量輕等特點。 其基本原理如下:當色度信號電壓在輸入端換能器兩面涂敷的金屬電極上時, 電壓的交變導(dǎo)致?lián)Q能器的壓電材料內(nèi)產(chǎn)生機械振動, 并傳給玻璃, 一個沿圖示箭頭所指方向的機械振, 碰到玻璃的界面反射五次, 最后傳輸?shù)捷敵龆藫Q能器。 這樣, 就在輸出端換能器的壓電材料內(nèi)激起機械振動, 因而在它兩面的金屬電極上還原成色度信號電壓, 而還原出來的色度電壓已被延時, 延時的時間正是這段傳播時間。73這種超聲波在玻璃中的傳播速度約為2

53、 700 m/s, 所以, 為獲得63.943 s的延時量, 約需17cm的傳播路經(jīng)。 上述玻璃片結(jié)構(gòu)尺寸就是按這種需要來設(shè)計的。為使其延時誤差盡可能減小, 通常可用反射面的厚薄精度來控制延時時間, 常用的延時線其誤差不大于5ns。 74三、 超聲延時線的具體參數(shù)超聲延時線的具體參數(shù)如下:延時時間: 63.943 s5 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三次反射雜波衰減: 22dB其它雜波衰減: 30 dB。 754.4.3 梳狀濾波器的幅頻特性及延時量的選擇 一、 梳狀濾波器的幅頻特性梳狀濾波器即延時解調(diào)器的幅頻特性是指相加器或相減器的輸出與其輸入的比值, 分別用k+()、k-()表示。為討論方便, 假設(shè)輸入信號為單一頻率的正弦信號, 且令其幅值為1, 并用指數(shù)形式表示為ei=e jt, 用它作為直通信號, 這個信號經(jīng)過延時線后, 如果延時量為, 并崐假設(shè)延時線對信號幅度無衰減, 則延時信號為 ei=ej(t-)=e jte -j按上述定義有梳狀濾波器相加器的傳遞函數(shù)為 76(4-32)其模值為 (4-33)77同理可得相減器傳遞函數(shù)的模值為當=TH=1/fH即=64s時