彩色電視的基本原理

1、彩色電視的基本原理 第1頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三3.1 色度學的基本知識光與色光是一種以電磁波輻射形式存在的物質。電磁波的頻譜范圍很廣，包括無線電波、紅外線、可見光波、紫外線、X射線、宇宙射線等?？梢姽怆S著波長由長到短的變化，對人眼中引起的顏色感覺是不一樣的，呈現的色光依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等。以后用“色調”這一術語來表示顏色的類別。電磁波波譜及可見光的波長如圖3-1所示。第2頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖3-1 電磁波的波譜第3頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三3.1.2 彩色的三要素任意一種彩

2、色光，均可用亮度、色調和色飽和度來表示，它們又稱做彩色三要素。亮度是指彩色光對人眼所引起的明亮程度感覺。當光波的能量增強時，亮度就增加；反之亦然。此外，亮度還與人眼的光譜響應特性有關，不同的彩色光，即使強度相同，當分別照射同一物體時也會對人眼產生不同的亮度感覺。實驗表明：人眼對550nm的光波亮度感覺最靈敏。第4頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三 色調是指光的顏色種類。例如，紅、橙、黃、綠、青、藍、紫分別表示不同的色調，色調是彩色最基本的特性。 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。某彩色摻入的白光越多，其色飽和度就越低；摻入的白光越少，其色

3、飽和度就越高。不摻入白光，即白光為零，則其色飽和度為100%；全為白光，則其色飽和度為零。 通常把色調與色飽和度合稱為色度。第5頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三3.1.3 三基色原理根據人眼的彩色視覺特性，在彩色重現過程中，并不要求恢復原景物反射光的全部光譜成分，而重要的是應獲得與原景象相同的彩色感覺。我們知道，不同波長的光會引起人眼不同的彩色感覺，同一波長的光引起的人眼彩色感覺是一定的。那么是不是人眼對某一色調的感覺就只能對應一種波長的單色光呢？實踐表明，幾種不同波長的單色光混合在一起，也可以引起人眼產生與另外一種單色光相同的彩色感覺。實踐證明，自然界可見到的絕大部

4、分彩色，都可以由幾種不同波長（顏色）的單色光相混合來等效，這一現象叫做混色效應。經進一步研究，人們終于得到了一個重要的原理三基色原理。第6頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三三基色原理的主要內容是： （1）自然界中的絕大部分彩色，都可以由三種基色按一定比例混合得到；反之，任意一種彩色均可以被分解為三種基色。 （2）作為基色的三種彩色，要相互獨立，即其中任何一種基色都不能由另外兩種基色混合來產生。 （3）由三基色混合而得到的彩色光的亮度等于參與混合的各基色的亮度之和。 （4）三基色的比例決定了混合色的色調和色飽合度。第7頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星

5、期三彩色電視的實現就是基于此三基色原理的。在彩色電視中，通常選用紅(用字母R表示)、綠(用字母G表示)、藍(用字母B表示)作為三種基色光。三基色原理為彩色電視技術奠定了理論基礎，極大地簡化了用電信號來傳送彩色圖像的技術問題。 彩色混色法有兩種：一種是彩色光的混色，這種方式是用加法混色。例如彩色電視中，利用三基色原理將彩色分解和重現，最終使三基色光同時作用于人眼中，視覺相加混合獲得不同的彩色感覺。另一種是彩色顏料的混色，是用減法混色，如繪畫等，它們的混色規(guī)律是不同的。這里只討論彩色電視所用的相加混色法，其混色規(guī)律如圖3-2所示。第8頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖3-

6、2混色圖(a)相加混色圖；(b)彩色三角形第9頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三從圖3-2(a)得知：紅光綠光黃光紅光藍光紫光綠光藍光青光紅光綠光藍光白光以上均指各種光等量相加，若改變它們間的混合比例，則可以得到各種顏色的光。 為了實現相加混色，除了將三種不同亮度的基色光同時投射到一個全反射表面上從而合成不同的彩色光以外，還可以利用人眼的視覺特性用下列方法進行混色：第10頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三（1）時間混色法：（2）空間混色法：彩色三角形是一等邊三角形，三個頂點放置三基色，其余各混色可相應確定，如圖3-2(b)所示，對該圖的說明如下：

7、 (1)每條邊上各點代表的顏色，是相應的兩個基色按不同比例混合的混合色。 (2)彩色三角形的重心是白色，它是等量的三基色的混合色。 (3)每根中線兩端對應的彩色互為補色，由于中線過重心，說明兩補色間可混合成白色。(4)每邊的彩色為純色，色飽和度為100%。 第11頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三3.1.4 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準白光和所選三基色的不同而決定的。實驗表明，目前NTSC制彩色電視中，由三基色合成的彩色光的亮度符合下面的關系： Y=0.299R+0.587G+0.114B (3-1)上式為彩色電視中常用的亮度方程，該

8、式定量地說明了由三基色合成彩色光的亮度關系。也是在彩色電視技術中，無論是彩色重現，還是彩色分解都必須遵守的一個重要關系式。第12頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三由于彩色電視制式不同，所規(guī)定的標準白光和選擇的顯像三基色熒光粉是不一樣的。因此，由三基色合成的彩色光的亮度方程也不一樣。例如，PAL制的亮度方程為Y=0.222R+0.707G+0.071B但因NTSC制使用較早，所以，PAL制并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，完全能滿足人眼視覺對亮度的要求。亮度方程通常近似寫成： Y=0.30R+0.59G+0.

9、11B (3-2)第13頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三在亮度方程中，R、G、B前面的系數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。例如，在一個單位亮度的白光當中，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%，藍基色對白光亮度的貢獻為11%。當R=G=B=1時，合成的亮度為白色光；當R=G=B=01之間時，則為灰色光；當R=G=B=0時，為黑色光；當R、G、B取不同的值時，就可以配出各種不同色調和不同飽和度的顏色。在彩色電視信號傳輸過程中，亮度信號和三基色信號是以電壓的形式來代表的，因此，亮度方程可以改寫

10、成電壓的形式，即 EY0.30ER+0.59EG+0.11EB第14頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三這里，EY、ER、EG、EB各代表亮度信號、紅基色信號、綠基色信號和藍基色信號的電壓，且分別獨立。已知其中任意三種，就可通過加、減法矩陣電路來合成第四種。在后面的討論中，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15頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三3.2 彩色圖像的分解與重現 3.2.1 彩色圖像的分解電視圖像是通過攝像管把圖像的光信號變成電信號的。但由于一幅圖像的細節(jié)變化很多，因此不能將整幅圖像直接

11、變成電信號，而是先將一幅彩色平面圖像分解成許許多多彩色的像素，每一像素均可用亮度、色調和色飽和度這三個要素來表征；再將每一像素順序轉變成電信號。對于活動圖像而言，每一像素的三要素都是時間的函數。第16頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三根據三基色原理，首先，用分色系統(tǒng)把彩色圖像分解成紅、綠、藍三幅基色光，同時送到對應的紅、綠、藍攝像管的光敏靶上，三基色攝像管在掃描電路的作用下進行光電轉換，然后進行預失真校正，以補償光電轉換系統(tǒng)的非線性。經過光電轉換，三基色光就變成了三個電信號ER、EG、GB。這樣就完成了圖像的分解，如圖3-3(a)所示。第17頁，共141頁，2022年，

12、5月20日，23點6分，星期三圖3-3 彩色電視傳送的基本過程第18頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三3.2.2 彩色圖像的重現在發(fā)送端，用攝像管取得了代表紅、綠、藍三基色的電信號，相應地，在接收端就可以把這三個基色電信號再轉換成按比例混合的彩色光，這樣就正確地重現了景物的彩色圖像。其具體工作過程如下：在接收端，見圖3-3，經過傳輸通道，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條電子束。在彩色顯像管熒光屏上涂敷著按一定規(guī)律緊密排列的紅、綠、藍三色熒光粉，顯像管的三條電子束在掃描過程中各自轟擊相應的熒光粉。第19頁，共141頁，2022年，5月20日，23

13、點6分，星期三3.3 兼容制彩色電視制式3.3.1 色度信號的編碼傳輸1. 色度信號的編碼1)亮度信號與色度信號在兼容制彩色電視中，為了做到彩色、黑白相互兼容，重要條件之一就是要求彩色全電視信號和黑白全電視信號一樣，也只占有6MHz的帶寬。但是彩色圖像經電視攝像機就形成了R、G、B三個基色信號，且每一基色信號的帶寬都與黑白圖像信號的帶寬相同，則三個基色占用的頻帶寬度總和就為18MHz，顯然無法兼容傳輸。因此，彩色電視一般不直接傳送這三個基色信號，而必須先對它們進行一定的編碼。第20頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三為了實現兼容，彩色電視編碼最好含有兩類信號：一種是代表圖

14、像明暗程度的亮度信號，另一種是代表圖像彩色的色度信號。黑白電視接收機只需接收其中的亮度信號，就能直接收看到彩色電視節(jié)目，只不過顯示的圖像是黑白的；而彩色電視接收機就必須同時接收亮度信號和色度信號，通過解碼器處理后，獲得R、G、B三基色信號，最后送至彩色顯像管重現出彩色圖像。 第21頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三 由亮度方程Y=0.3R+0.59G+0.11B可知，亮度信號可由R、G、B三基色信號合成。色度信號雖有R、G、B三種，但根據亮度方程，在Y、R、G、B這四個物理量中，只有三個量是獨立的。因此，作為傳送彩色信息的色度信號只需選擇兩種基色信號就可以了。例如，可選

15、用Y作亮度信號，選用R、B作色度信號，而G可以通過亮度方程求得。但這樣做有個很大的缺點，即亮度信號Y已經代表了被傳送彩色光的全部亮度，而R、B本身也還含有亮度成分，這顯然是多余的，且在傳輸過程中易干擾亮度信號Y。為了克服這一缺點，彩色電視系統(tǒng)一般不選用基色本身作為色度信號，而選用的是色差信號。第22頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三2)色差信號 用基色信號減去亮度信號就得到色差信號。例如R-Y、B-Y、G-Y就是三種基色信號分別減去亮度信號Y而形成的，它們分別叫做紅色差信號、綠色差信號和藍色差信號。由亮度方程(3-2)可得出三種色差信號的幅值：R-Y=R-(0.3R+0

16、.59G+0.11B)=0.7R-0.59G-0.11B (3-3)B-Y=B-(0.3R+0.59G+0.11B)=-0.3R-0.59G+0.89B (3-4)G-Y=G-(0.3R+0.59G+0.11B)=-0.3R+0.41G-0.11B (3-5) 第23頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三由于G-Y信號幅值較小，對改善信噪比不利，并且G-Y又可由R-Y和B-Y通過簡單的電阻矩陣合成產生，所以電視系統(tǒng)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，而R-Y，B-Y代表色度信息。顯然，這給兼容制電視系統(tǒng)提供了方便與可能。圖3-4

17、給出了由R、G、B這三種基色信號通過編碼合成的亮度信號Y與色差信號R-Y、B-Y的示意圖。第24頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖3-4 由R、G、B合成亮度信號Y與色差信號R-Y、B-Y的示意圖第25頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三3）頻帶壓縮選用亮度信號Y和兩色差信號R-Y、B-Y作為彩色電視信號傳送，如果不加任何限制和處理的話，則彩色電視信號總的頻帶依然過寬，技術上還是難以實現，所以必須壓縮彩色電視信號的頻帶寬度。彩色電視的圖像清晰度是由亮度信號的帶寬來保證的，且為了達到兼容，此亮度信號必須與黑白電視信號保持一致的帶寬（即06MHz），

18、所以彩色電視信號中的亮度信號不能壓縮，必須保持原有的6MHz帶寬。第26頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三根據人眼對彩色細節(jié)的分辨能力比對亮度細節(jié)的分辨能力低得多這一特點，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。色度信號的高頻分量可由亮度信號來代替，重現的彩色圖像效果能夠滿足人眼的視覺要求。我國彩色電視系統(tǒng)在傳送彩色圖像時規(guī)定：將色度信號帶寬由06MHz壓縮到01.3MHz。2.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僅代表被傳送景物的亮度，而不含色度。第27頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三而且，當

19、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=0.4V，它們合成的亮度信號Y=0.4V，所以色差信號R-Y,B-Y也為零。因此，色差信號只表示色度不表示亮度。而且三色差信號對亮度的貢獻為零。這個道理不難證明，只要將式(3-2)的左邊項移到右邊，并加以整理便可以得到： 0=0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y) (3-6) 第28頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三2)能夠實現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

20、前提下均應保持恒定，即與色差信號失真與否無關，只與亮度信號本身的大小有關。下面舉一例子來說明：假設某一時刻為一種偏紫的紅色，其三基色信號為R=0.7V，G=0.4V，B=0.5V，由式(3-2)，合成的Y=0.5V，根據色差定義，可用矩陣電路合成得到紅色差信號和藍色差信號為： R-Y=0.7-0.5=0.2V B-Y=0.5-0.5=0V第29頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三如果我們選用Y、B-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0.7V、0.5V，同時，也可按式(3-6)合成綠色差信號：G

21、-Y=-0.51(R-Y)-0.19(B-Y)=-0.11V 然后再與亮度信號Y相加得到綠基色信號為0.39V，所恢復的三基色信號重現的亮度仍是0.5V。第30頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三在傳輸過程中，假若Y信號無失真仍為0.5，而色差信號受干擾，R-Y由0.2V變?yōu)?.3V，B-Y由0V變?yōu)?.2V，則它們合成的G-Y=0.510.3-0.190.2=-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后形成的三基色信號為：R=(R-Y)+Y=0.3+0.5=0.8VG=(G-Y)+Y=-0.191V+0.5=0.309VB=0.2+0.5=0.7VY

22、=0.30.8+0.590.309+0.110.7=0.5V顯然，色調有失真，紅色變得更加偏紫了，但它們合成的亮度信號Y仍然是0.5V，即此時所顯示的亮度仍然與失真前的相同。這就進一步說明色度通道的雜波干擾不影響圖像亮度，使圖像的質量得到了保證。第31頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三3)有利于高頻混合由于傳送亮度信號占有全部視頻帶寬06MHz，而傳送色度信號只利用較窄的頻帶01.3MHz。因此，電視接收機所恢復的三個基色信號就只包含較低的的頻率成分，反映在畫面上，只表示大面積的彩色輪廓；而圖像彩色的細節(jié)，即高頻成分則由亮度信號來補充。這就是說，由亮度信號顯示出一幅高清

23、晰度的黑白圖像，再由色度信號在這個黑白圖像上進行大面積的低清晰度著色。此時人眼感覺到的就是一幅高質量的彩色圖像畫面。這就是所謂的大面積著色原理，又叫做高頻混合原理。第32頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三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06MHz的三個基色信號。只要將01.3MHz窄帶的色差信號混入一個06MHz全帶寬的亮度信號中，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： (R-Y)01.3MHz+Y06MHz=R01.3MHz+Y1.36MHz（3-7） (G-Y)01.3MHz+Y0

24、6MHz=G01.3MHz+Y1.36MHz（3-8） (B-Y) 01.3MHz+Y06MHz=B01.3MHz+Y1.36MHz（3-9）第33頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三3.3.2 頻譜間置原理 1.頻譜間置1)周期矩形脈沖波信號的頻譜分析所謂頻譜，是指信號中各種頻率成分正弦波的幅度與其頻率之間的關系。這里先分析一個周期為T的矩形脈沖波信號的頻譜。圖3-5（a）為一周期矩形脈沖波信號，按傅里葉級數展開的表達式為其中，=2/T。 第34頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三這表明：周期矩形脈沖波信號是由1,3,5,等奇次諧波組成的，且隨著諧

25、波次數的增高，幅度是逐漸減少的。 圖3-5（b）是周期矩形脈沖波信號的頻譜，這是一個由分離的譜線組成的頻譜。事實上，所有周期信號的頻譜都是分離譜或離散譜，而所有非周期信號的頻譜都是連續(xù)譜。第35頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖3-5周期矩形脈沖波及其頻譜(a)周期矩形脈沖波波形；(b)周期矩形脈沖波頻譜第36頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三2)亮度信號的頻譜分析亮度信號本來是非周期性的，但由于電視圖像信號采用了周期性掃描，使得視頻信號具有一定的周期性。下面分析幾種簡單靜止圖像的對應信號波形及其頻譜，以便找出一般圖像信號的頻譜規(guī)律。圖3-6(

26、a)所示的是一幅亮度在垂直方向突變(上半部黑、下半部白)的簡單圖像,則其對應的圖像信號為E(t)，是以場為周期的矩形脈沖波（圖中畫的是負極性圖像信號的波形，并忽略行、場逆程的間隙），其頻譜 |A(f) |是以場頻fV為間隔的離散譜。第37頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖3-6 簡單圖像信號波形和頻譜第38頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖3-6(b)所示的是一幅亮度在水平方向突變(左半部黑、右半部白)的簡單圖像,則其對應的圖像信號為E(t)，是以行為周期的矩形脈沖波，其頻譜 |A(f) |是以行頻fH為間隔的離散譜。 圖3-6(c)所示的是

27、一幅既在水平方向，又在垂直方向有變化的靜止圖像，則其對應的圖像信號為E(t)，它可以看做是以場頻信號對行頻信號實行了幅度調制的波形，屬于一脈沖調幅波。這種調幅波的載頻為行頻fH及其奇次諧波；而調制信號的頻率則為場頻fV及其奇次諧波。因此，其頻譜|A(f) |是以行頻fH及其奇次諧波為主譜線、其兩側出現以場頻fV為間隔的fH nfV，3fHnfV，5fHnf V，mfHnfV的雙重離散譜(其中m、n均為奇數)。從圖3-6(c)還可以看出：隨著諧波頻率的升高，其幅值越來越小，即能量越來越小。第39頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三這種情況可用圖3-7畫出的活動圖像信號的頻譜

28、來表示。這些譜線群也可用mfHnfV表示，這里m和n為包括零在內的正整數。第40頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖3-7 活動圖像信號的頻譜第41頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三由圖3-7可知，各主譜線族間存在很大空隙，間隔為fH=15.625kHz。研究表明：由于圖像在垂直方向變化較慢，因此，主譜線兩側的邊頻數n一般不超過20，如以n20,fV=50Hz來計算，則每組譜線所占頻寬約為2f=22050=2kHz，其空隙達主譜線間距的(15625-2000)/15625=87.2%，而且主諧波次數越高，幅度衰減越快，所以空隙也越大。對于動作快的

29、圖像，空隙要小一些，但在整個頻譜中還有很大區(qū)域是沒有圖像信息的。圖像信號頻譜實際上是呈梳齒狀的離散譜，在相鄰兩組譜線間存在相當大的空隙，所以我們可以將色度信號安插在這些空隙之間。 第42頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三m的取值由電視傳輸系統(tǒng)的視頻帶寬所決定，例如按我國的電視標準，m的最大取值為6MHz/15625Hz=384。嚴格來講，在隔行掃描的情況下，若考慮到奇、偶兩場信號的差異，則圖像信號的重復頻率就為幀頻。因此，離散譜線將以幀頻為間隔。3）色差信號的頻譜分析由于色差信號和亮度信號一樣都是由三基色信號產生，并按同一掃描方式進行傳送的，因此色差信號具有和亮度相同的

30、頻譜結構，只不過色差信號的頻帶寬度已被壓縮到1.3MHz以下而已。色差信號的頻譜也可用mfHnf V表示，按我國的電視標準，m的最大取值為1.3MHz/15625Hz=83，如圖3-8（a）所示。第43頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖3-8 亮度與色度信號頻譜間置示意圖第44頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三4)頻譜間置色差信號雖經頻帶壓縮，但它在頻域中與亮度信號仍是重疊的，若不加處理而直接混合傳送的話，接收端是無法將它們分開的。解決該問題的辦法之一是移頻，即通過調制的方法將色差信號的頻譜移到亮度信號的頻譜中間，實現色差信號的頻譜與亮度信號的

31、頻譜交錯。 亮度信號的頻譜顯示，其能量一般集中在低頻段附近。為了減少色度信號對亮度信號的影響，可借助副載波頻率fSC把色度信號安插在亮度信號的頻譜的高頻段，并把fSC選擇在亮度信號主譜線的空隙中間，也就是fSC =(2n-1)fH/2，即半行頻的奇數倍。 第45頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三 圖3-8（c）中的副載波頻率fSC正好是行頻fH的283.5倍。因此，正好通過幅度調制，將色差信號的頻譜搬到亮度頻譜間隔的中央(當然，這并非唯一選擇，只要將已調的色差信號頻譜安插在亮度主譜線間隙中間即可)。這樣就實現了色差信號的頻譜與亮度信號的頻譜間置，就好像農作物的間種法一樣

32、，互相錯開地排列，使色度信號頻譜與亮度信號頻譜互不干擾，且在頻帶內各占有一定的能量，這就是頻譜間置原理。圖3-8（d）畫出了色度信號與亮度信號疊加形成的頻譜間置示意圖。采用頻譜間置的方法，既達到了兼容制的目的，也便于接收機根據其頻譜分量的不同，分別取出各自所需的信號。第46頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三2.全射頻彩色電視信號的頻域示意圖彩色全電視信號(FBAS)是由黑白全電視信號(即含有同步、消隱信號在內的亮度信號)與色度信號疊加而成的。它仍采用殘留邊帶方式并與高頻伴音信號合在一起形成全射頻彩色電視信號，其頻域如圖3-9所示。由圖可見，彩色電視的頻帶寬度及頻道劃分與

33、黑白電視是完全一樣的，僅在高頻端色差信號對副載波是雙邊帶平衡調幅，且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3-9中，fP為圖像載頻，fSC為色度副載波頻率，fS為FM制伴音信號載頻，它仍比圖像載頻fP高6.5MHz。 第47頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖3-9 彩色電視全射頻彩色電視信號第48頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三3.3.3 NTSC制編碼的基本原理前面我們已介紹過的頻譜間置概念，僅是對一個色差信號進行調制的情況，而實際上有兩個色差信號，怎樣把兩個色差信號同時調制到一個彩色副載頻上，采用NTS

34、C正交平衡調幅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分別調制在頻率相同、相位相差90的兩個正交的色副載波上，再將兩個輸出加在一起送出；在接收機中，則根據相位的不同，從合成的副載波已調信號中可分別取出兩個色差信號。第49頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三因此，這種調制既能在一個副載波上互不干擾地傳送兩個色差信號，而且便于解調分離，又不增加頻帶。因為色度信號是與亮度信號一起傳送的，色度副載波分量會對亮度信號產生干擾，所以這里采用平衡調幅可以抑制副載波，使色度調幅波對亮度信號干擾減至最小，以改善兼容性。 實際上，目前世界彩電廣播制式有NTSC、PAL和

35、SECAM三大類。它們都與原來的黑白電視相兼容，也是把圖像信號編碼成一個亮度信號Y和兩個色差信號B-Y、R-Y來傳送，其主要區(qū)別在于兩個色差信號對色副載波的調制方式不同。第50頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三NTSC制最早是由美國采用的一種正交平衡調幅制。我國目前使用的PAL制就是在NTSC制的基礎上作了改進形成的一種制式。法國、東歐使用的SECAM也是針對NTSC制的不足而改進形成的又一制式。下面，我們首先討論NTSC制的正交平衡調制原理。NTSC制色差信號的正交平衡調幅制的方框圖如圖3-10(a)所示。它是由兩個平衡調幅器、副載波90移相器和線性相加器等部分組成的

36、。由圖可知，兩個調制器分別輸出的信號是紅色度分量(R-Y) cosSCt與藍色度分量(B-Y)sinSCt,它們相互正交，相加后的信號稱做色度信號F。顯然，色度信號是兩個已調色差信號即兩個色度分量的矢量和。圖3-10(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，其矢量式為第51頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三 由上式可知，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，因為振幅F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，這就是說，色度信號既是一個調幅波，又

37、是一個調相波，色飽和度是利用已調副載波的幅值來傳送的。下面討論平衡調幅的特性。第52頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖-10正交平衡調制原理(a)正交平衡振幅調制方框圖；(b)色度信號F的矢量圖第53頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三對于如圖3-11(a)所示單頻正弦波sint的平衡調幅信號來說，可用以下三角函數表示: sintcos0 t sin (0 +)t+ sin (0 -)t式中，cos0 t為載頻，其波形如圖3-11(c)所示?？梢?，單頻正弦波的平衡調幅頻譜不含載頻0 ，只有0 的兩條邊線譜，如圖3-11(d)所示。第54頁，共14

38、1頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖-11 正弦波和矩形波對載波進行平衡調幅后的波形和頻譜第55頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三對于矩形波的平衡調幅信號而言，由于矩形波可分解為頻率為，3，5，各次諧波，因此，可用矩形波的各諧波分別去調制載波，得到頻譜為0，0 3，0 5，等上、下邊頻帶，如圖3-11(b)、(e)所示。從波形圖3-11上看，平衡調幅波的特點為： （1）平衡調幅波的振幅與載波信號振幅無關，而與調制信號振幅成正比，當調制信號為零時，平衡調幅波的幅度也為零。 （2）因調制器實際是一個乘法器，因而當調制信號電壓為正值時，平衡調幅波與載波同相；而當

39、調制信號電壓為負值時，平衡調幅波與載波反相。當調制信號經過零點(以周期調制信號為標準)時，平衡調幅波相位變化180第56頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三而普通調幅波的特點為：(1)其振幅由載波信號振幅和調制信號振幅共同決定，當調制信號振幅為零時，普通調幅波的振幅等于載波振幅。 （2）從頻率上看，普通調幅波與載波周期相同。 （3）調幅波的包絡隨調制信號而變化，其包絡代表原調制信號。 第57頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三3.3.4 PAL制編碼的基本原理1.逐行倒相PAL制基本上采用了NTSC制的各項技術措施，并增加了一些技術措施來克服NTSC

40、制中對相位失真較敏感的缺點。它采用色差信號R-Y和B-Y來組成色度信號。這兩個色差信號均只占用01.3MHz，且幅度按百分比進行了一定的壓縮（具體原因后詳），從而形成U信號和V信號，即 U=0.493(B-Y) (3-13) V=0.877(R-Y) (3-14)第58頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三用壓縮后的U、V信號去調制副載波，這樣色度信號為 F=UsinSCtVcosSCt=FUFV (3-15)在PAL制中，發(fā)送端將已調紅色差信號FV=VcosSCt逐行倒相。例如，傳送前一行時為VcosSCt(稱為NTSC行)，而傳送下一行則變?yōu)? VcosSCt(稱為PA

41、L行)。當掃描順序為第n行時，FV =VcosSCt，當掃描順序為n+1行時，FV =Vcos (SC+180)，即當第n行FV相位為90，則第n1行為270(或-90)，第n2行的相位又回到90,如此反復進行。而矢量FU的相位是不隨掃描行序改變的，始終為FU=UsinSCt。因此，相加后色度信號F的相位也是逐行改變的，其數學表達式為第59頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三 (t)=k (t)arctan (3-17) k (t)稱為開關函數，為半行頻方波，幅值為1，反映了逐行倒相的變化。顯然，對于任一色度信號，Fn與Fn1矢量以水平軸U鏡像對稱。其矢量圖和k (t)波

42、形圖如圖3-12所示。 第60頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三 圖3-12逐行倒相矢量圖與開關函數波形圖(a)逐行倒相矢量圖；(b)開關函數波形圖第61頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三2.PAL制編碼調制原理PAL制編碼器采用逐行倒相正交平衡調幅，與NTSC制編碼器相比，只是多了一個PAL開關，其開關電壓由k (t)來控制，其調制原理方框圖如圖3-13所示，其主要工作過程如下：(1)將R、G、B三個基色信號通過矩陣電路合成亮度信號Y和色差信號U、V；(2)將U和V信號通過低通濾波器，只保留1.3MHz以下的低頻信號；(3)把帶寬限制后的U、V

43、信號分別在平衡調制器對零相位的副載波和90相位的副載波進行平衡調幅，分別輸出FU和FV色度分量； 第62頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三(4)由于色差信號通過低通濾波器后，會引起一定的附加延時。因此，為了使亮度信號和色度信號在時間上一致，還預先將亮度信號加以延時，其延時量約為0.6s；(5)將FU、FV兩個色度分量與亮度信號Y在加法器疊加，最后輸出彩色全電視信號。第63頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖3-13 PAL制編碼調制原理框圖第64頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三3.PAL制頻譜間置原理在PAL制中，由于V

44、信號逐行倒相，使其頻譜分布發(fā)生了變化，與不倒相的U信號相比有了差別，使U信號的頻譜與V信號的頻譜相互錯開fH/2。如果仍像NTSC制一樣，副載頻仍選擇為半行頻的奇數倍，雖能使Y信號與U信號頻譜相互錯開fH/2，但卻使得Y信號和V信號的頻譜相互重合，導致兼容性差，如圖3-14(a)所示。為了直觀,將V與Y重疊處用虛線表示。第65頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三 圖3-14PAL制行頻間置的頻譜(a)半行頻間置的頻譜；(b)1/4行頻間置的頻譜第66頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三為了使Y信號、U信號和V信號的頻譜彼此都能錯開，而且相互干擾最小，

45、最好的辦法是將Y信號譜線插到U信號和V信號譜線的中間位置，如圖3-14(b)所示。為此，PAL制采用1/4行頻間置，其副載波頻率為實際上，為了減小副載波對亮度信號的干擾，改善兼容性，PAL制副載頻還附加了25Hz，稱為半場頻間置，即選擇fSC=283.75fH25Hz=4.43361875MHz 第67頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三這是由于在采用了1/4行頻間置后，PAL制比NTSC制半行頻間置的副載波干擾嚴重，為此，PAL制對副載波又提出了場間交錯的方法以減小副載波干擾的方法。所謂場間交錯，就是讓副載波逐場倒相，使相鄰兩場的干擾方向相反，從而使相鄰兩場干擾互相抵消

46、。但這種方法要求接收機增加副載波倒相電路，從而造成接收機電路更復雜，因此，一般不采用副載波逐場倒相方式。目前均采用增加25Hz偏置的簡單方法來實現場間交錯的效果，即讓副載頻增加25Hz，以便自動實現副載波的逐場倒相。由此可見，PAL制對副載波頻率的精度要求是非常高的，允許誤差一般僅為15Hz。 第68頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三4. PAL制梳狀濾波器解碼原理電視接收機在收到彩色電視信號并將色度信號F取出后，還應通過PAL制梳狀濾波器來進行解碼，將紅、藍兩色度分量FU 、FV從色度信號F中分離出來。在PAL解碼器中，常采用超聲波延時線作梳狀濾波器，其原理方框圖如圖

47、3-15所示。由于利用超聲玻璃延時線來實現紅、藍兩色度分量FU、FV的分離，因此稱做延時解調器。又由于延時解調器的幅頻特性是梳狀的，故又稱做梳狀濾波器，其解調分離原理如下：第69頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖3-15 梳狀濾波器的原理框圖第70頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三設第n-1行色度信號為Fn-1=UsinSCt-VcosSCt由于V信號逐行倒相，因此第n行色度信號為Fn=UsinSCtVcosSCt第n+1行色度信號為Fn1=UsinSCt-VcosSCt這樣，當Fn-1信號經過延時器延時一行(約延時64s)并反相后，就正好和F

48、n同時到加法器和減法器中，經相加或相減后可得:Fn(-Fn-1)=2VcosSCt=2FVFn-(-Fn-)=2UsinSCt=2FU 第71頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三同理，Fn信號經過延時器延時一行再反相后，也正好和Fn1同時到加法器和減法器中，經相加或相減后可得: Fn1(-Fn)=-2VcosSCt=-2FVFn1-(-Fn)=2UsinSCt=2FU可見，從加法器輸出的總是逐行倒相的FV色度分量,從減法器輸出的則為FU色度分量，從而完成了色度信號F(t)中兩個分量FU 、 FV的分離。 第72頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三5.

49、超聲玻璃延時線梳狀濾波器中，超聲玻璃延時線的作用是將色度信號進行一行(64s)的延時并反相后，正好和下一行的色度信號同時到達加法器或減法器。這樣大的延時時間，若用電磁波延時線，因電磁波速度接近光速(3108m/s)而使延時線體積變得很大。超聲玻璃延時線是在玻璃棒兩端裝有壓電傳感換能器，它把電信號轉換成機械振動超聲波，它傳播到輸出端的換能器，又轉換成電信號，因超聲波在玻璃中的傳播速度為2.7103m/s，比電磁波慢得多，所以可以做得體積小而延時時間長。第73頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三超聲玻璃延時線（簡稱超聲延時線）的結構如圖3-16所示，它是由一塊長約40mm，寬

50、30mm，厚0.8mm的玻璃片，換能器由壓電陶瓷材料做成，可以實現電能與機械能之間的轉換，換能器與玻璃間由極薄的粘貼層連接。其工作原理是利用玻璃內壁上超聲波的五次或七次反射傳播而實現延時時間的，誤差不大于3ns，通常其具體參數如下：延時時間：63.943s3ns； 工作頻率：4.43MHz1MHz；插入損耗：-8dB3dB；工作溫度：-1050；輸入輸出阻抗：390；最大輸入電壓：6V。第74頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖3-16五次反射片狀超聲延時線的結構與符號(a)結構；(b)符號第75頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三3.4 PAL制

51、彩色全電視信號3.4.1 彩色圖像信號分析1.三基色信號波形分析構成標準彩條測試信號的R、G、B三基色信號波形，分別如圖3-17(b)、(c)、(d)所示。它們是由脈沖電路產生的三組不同脈寬、相同幅度的矩形脈沖波。將這三種矩形脈沖波信號加至彩色顯像管，分別控制彩色顯像管的三根電子束，并相應射到紅、綠、藍色熒光粉上，利用人眼的空間混色作用，在屏幕上依次顯示白、黃、青、綠、紫、紅、藍、黑八種豎條，即如圖3-17(a)所示的彩條圖形。如果是黑白電視接收機，則只能收看到八種灰度等級不同的豎條。第76頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖3-17 三基色信號波形及其對應的彩條圖形第

52、77頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三由圖可知：顯示的中性白色，是由于R=G=B=1，即等量的紅、綠、藍光同時出現混合為白光；R=G=1，而B=0，即等量的紅、綠光混合為黃色光，所以顯示黃條；對于顯示的綠色，是R=0，G=1，B=0，顯像管G電子槍的電子束打在顯示屏的綠色熒光粉上，使屏幕發(fā)出綠光，此時，紅、藍兩電子束截止而不發(fā)光。同理，可依次推出其它顯示的彩條圖形。由于把三基色信號與白條對應的電平定為1，與黑條對應的電平定為0，所以，它們是正極性的基色信號。第78頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三上述的彩條信號是用電的方法產生、模擬和代替彩色攝像

53、機的光色轉換信號的，利用該彩條信號可以對整個電視系統(tǒng)的工作作出定量的分析，特別是對電視接收機的性能指標作出準確的鑒定。所以，它是彩色電視中經常使用的一種測試信號，以便于彩色電視系統(tǒng)的調整和測試。圖3-17中，與白條對應的各基色信號的電平為1，是基色的最大值；與黑色對應的各基色信號的電平為0，是基色的最小值。因此，三基色信號的電平非0即1，由它們配出來的彩條，沒有摻白，幅度最大，所以稱之為100%飽和度和100%幅度的標準彩條，可用四個數碼表示為100/0/100/0彩條信號。第79頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三100/0/100/0的具體含義為：第一個“100”表示

54、構成白色的各基色的最大值為100%相對電平值；第一個“0”表示構成黑色的各基色的最小值為0%相對電平值；第二個“100”表示構成彩色的各基色的最大值為100%相對電平值；第二個“0”表示構成彩色的各基色的最小值為0%相對電平值。由于這種彩條信號波形簡單，便于使用，因此被廣泛用于彩色電視設備的生產和科研中。在后面研究色差、色度信號時，我們就以這種規(guī)格的彩條信號作為標準信號。第80頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三2.標準彩條信號的亮度、色差與色度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，所以可根據以上100/0/100/0標準彩條信號的規(guī)定，利用亮度方

55、程算出各種色調彩條信號的Y、R-Y、B-Y和色度信號F的電平值。例如：在彩條中，黃色彩條對應的數據R=G=1，B=0，算得:Y=0.3010.5910.110=0.89R-Y=0.11B-Y=-0.89第81頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三同理，可算出彩條中其余各色調的亮度、色差與色度電平值。我們將計算結果列入表3-1中。 第82頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三表3-1 100/0/100/0標準彩條信號 第83頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三根據表3-1可畫出相應的亮度與色差信號波形圖，如圖3-18所示。由圖可見，

56、彩條信號的亮度級別是遞減的，但非等級差，它是一個含有直流分量的正極性亮度信號，而色差信號卻是交流信號。第84頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖3-18 亮度與色差信號波形第85頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三3.彩條圖形的復合圖像信號波形復合圖像信號包括亮度信號Y和色度信號F。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。圖3-19畫出了上述彩條圖形的色度信號與亮度信號疊加后的復合圖像信號波形。第86頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖3-19 彩條圖形的復合圖像信號波形第87頁，共

57、141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三4.色度信號的壓縮從圖3-19可知，彩條圖形的復合圖像信號中的黃條和藍條的最大值分別超過白黑電平79%。顯然，這樣的彩條信號不僅會使發(fā)射機產生過調制失真，而且還將影響接收機的同步。因此，必須對色度信號的幅度進行壓縮。傳送黃條時：傳送青條時： 第88頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三將上面兩式聯立求解，得a=0.877，b=0.493。通常，壓縮后的藍、紅色差信號分別用U、V表示為U=0.493(B-Y)V=0.877(R-Y)5.彩條圖形的色度信號波形及其矢量圖 1)彩條色度信號的矢量圖彩條色度信號的矢量圖，就是將代表

58、各彩條的色度信號的振幅和相位，用矢量形式表示在矢量坐標中所得到的矢量圖，由式(3-10)可得： 第89頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三例如，壓縮后的100/0/100/0彩條信號中的紫色，據表3-1，其R-Y=0.59，B-Y=0.59，則有：第90頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三同樣，我們也可將其它的色度信號的幅度與相位計算出來，并列入表3-2中。根據此表可畫出色度信號的矢量圖，如圖3-20所示。 第91頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三表3-2 已壓縮的100/0/100/0標準彩條信號 第92頁，共141頁，20

59、22年，5月20日，23點6分，星期三圖3-20 壓縮后的色度信號矢量圖第93頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三由壓縮后的色度信號矢量圖可知：(1)不同色調的矢量處在平面的不同位置上，正如時鐘用不同的方位代表不同的時刻一樣，用其不同的方位來表示不同的色調，因而常稱色度信號矢量圖為“彩色鐘”。(2)互補的兩個顏色矢量長度是相同的，即此兩個色度信號矢量之和為零。(3)色調相同而飽和度不同的顏色，其色度信號的初相不變，僅矢量的大小改變。(4)矢量圖中，任意兩個矢量相加可得第三個矢量，合成矢量表示該兩種彩色混合后的色調。如綠加藍，可得青色(見圖3-20中虛線合成的矢量)，這樣比

60、用公式計算要方便得多。第94頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三2)色度信號波形的特點根據表3-2，還可畫出已壓縮的100/0/100/0彩條色度信號波形圖，如圖3-21所示。由圖3-21可以看出，色度信號波形有以下幾個特點： (1)壓縮后的V、U色差信號經副載波正交平衡調幅后，所得的FV與FU仍然是相互正交的，即使FV分量要逐行倒相，仍與FU保持正交關系。(2)色差信號對彩色副載波進行平衡調幅。因此，具有平衡調幅波的特點。(3)色度信號波形包絡正比于兩個色度分量合成矢量的模值。 第95頁，共141頁，2022年，5月20日，23點6分，星期三圖3-21 已壓縮的100/