彩色電視制式與彩色電視信號

1、第2章 彩色電視制式與 彩色電視信號2.1 兼容制傳送方式2.2 亮度信號與色差信號2.3 色度信號與色同步信號2.4 NTSC制色差信號及編、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，是指彩色電視信號能為黑白電視機所能正常接收。 所謂彩色電視制式，是指彩色電視傳送的亮度信號Y和色度信號F，這兩種信息的三基色信號在處理和傳送過程中的方式。 2.1.1 兼容的必備條件 彩色電視應滿足以下基本條件: (1)所傳送的電視信號中應有亮度信號和色度信號兩部分。 (2)彩色電視信號通道的頻率特性應與黑白電視通道頻率特性基本一致,而且應該有

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有相同的掃描方式及掃描頻率,有相同的輔助信號及參數。 (4)應盡可能地減小黑白電視機收看彩色節(jié)目時的彩色干擾,以及彩色電視本身中色度信號對亮度信號的干擾。 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。根據這一特點，在彩色電視圖像傳送時，只傳送其亮度細節(jié)，而不必傳送彩色細節(jié)，這種原理稱為大面積著色原理。把三個基色中的圖像信號的高頻分量，用一個只代表亮度的信號來傳送，又稱為“混合高頻原理”。電視圖像的水平清晰度是和信號的頻帶寬度成正比的。水平清晰度

3、每增加80線,相當于視頻帶寬增加1MHz。亮度信號帶寬為6MHz。用亮度信號帶寬的20%（ 1.3MHz 帶寬）傳送色度信號。 Affsc60 2.1.3 頻譜交錯原理 頻譜交錯是利用亮度信號頻譜間隙，插入已調副載波的頻譜，使亮度信號頻譜與已調副載波頻譜互相錯開達到頻帶共用的目的。 圖21 亮度與色度信號的頻譜交錯 2.2 亮度信號與色差信號 2.2.1 亮度信號、色差信號與R、G、B的關系 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)恢復出(G-Y),然后再以基色矩陣恢復電路使之分別與Y信號相加,從而恢復出三基色。即： ( R-Y)+Y=R (26a) ( B-Y)+Y=B (26b) ( G-Y)+Y=G (26c) 在傳送

5、黑白電視信號時, 色度信號為零,即色差信號( R-Y)=0， ( B-Y)=0， ( G-Y)=0， R、G、B應相等，都為亮度信號。 即：Y=R=G=B 在傳送彩色圖像時，比如傳送黃色,則可知R=G=1,B=0,其亮度信號和色差信號分別為: 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 標準彩條亮度及色差信號波形 標準彩條信號是由彩條信號發(fā)生器產生的一種測試信號。在分析和研究彩色電視波形時，大都采用標準彩條信號。

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

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

8、調幅調幅波頻譜 cost- 圖25 調幅波波形 (a)調制信號(b)載波 (c)AM波 (d)平衡調幅波 平衡調幅波的特點是: (1)平衡調幅波的幅度與調制信號幅度的絕對值成正比。 (2)調幅信號為正值時,平衡調幅波與載波同相;調制信號電壓為負值時,平衡調幅波與載波反相。 2. 正交調幅 將兩個調制信號以調幅方式分別調制在頻率相等、相位相差90的兩個載波上,然后再將這兩個調幅信號進行矢量相加,從而得到的調幅信號稱為正交調幅信號,這一調制方式稱正交調幅。 3.色度信號的形成 在將兩個色差信號分別對兩個正交的副載波進行平衡調幅之前,先對其進行適當的幅度壓縮,這是不失真?zhèn)鬏斔枰?。壓縮后的色差信號

9、分別用U和V表示,它們與壓縮前的色差信號(R-Y)和(B-Y)的關系是：U=0.493(B-Y) (213) V=0.877(R-Y) (214) 式中,0.493和0.877稱為色差信號的壓縮系數。壓縮后的色差信號分別對兩個正交副載波sinSCt和cosSCt進行平衡調幅,從而得到兩個平衡調幅信號 FU=UsinSCt (215) FV=VcosSCt (216) 這兩個平衡調幅信號頻率相等,相位相差90,保持著正交關系,將二者相加便得到正交平衡調幅的色度信號 F=UsinSCt+VcosSCt (217) F被稱為已調色度信號。用矢量表示,稱彩色矢量,如下圖所示。 可見,色度信號的振幅和相

10、角分別為：(218) (219) 圖26 彩色矢量圖 圖27 正交平衡調幅色度信號形成方框圖Fu、Fv送合成器進行相加正交平衡調幅色度信號形成框圖 2.3.2 同步檢波原理 正交平衡調幅信號只能用同步檢波解調。 sinSCtFU=UsinSCtUusFUUttt 同步檢波解調,還可由數學分析加以證明: 對于U同步檢波,色度信號F與sinSCt相乘: (220) 式中，1/2U是解調出的B-Y色差信號，其余兩項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 要實現同步解調必須在彩色電視機中設

11、置一個副載波產生電路。并且要與已調色差信號的副載波同頻同相。因此，在發(fā)端的信號里，需要一個色同步信號。 色同步信號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,則 色同步信號與彩色電視信號一起傳送到接收端,彩色電視機將其從彩色全電視信號中分離出來,由此去控制接收機的副載波發(fā)生器,使之產生與發(fā)送端副載波同頻、同相的恢復副載波。 (221) 圖210 色同步信號 10個波 2.3.4 彩條對應的信號波形及矢量圖 圖211 100%幅度彩條波形圖 (a)Y+Fb+s信號; (b)色度信號F; 圖211 100%幅度彩條波形圖 (c)Y+F+Fb+s信號10.33 設(B-Y)

12、和(R-Y)壓縮系數分別為x1和 x2，以黃、青為例，則壓縮后黃、青視頻信號幅度應滿足下式關系，即Y+Fm=1.33。將黃彩條數據代入式(222)得：將青彩條數據代入式(222)得： 由式(223)和式(224)聯立求解,可得： x1=0.493 x2=0.877 （2 22）（2 23）（2 24）R圖212 壓縮后的彩條信號波形 （數據如P48表24所示）。 壓縮后的彩條信號波形圖圖213 彩條色度信號矢量圖 （彩色鐘）2.4 NTSC制色差信號及編、解碼過程 2.4.1 I、Q色差信號 由于人眼對紅、黃之間顏色的分辨力最強;而對藍、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夾角的關系。通過幾何關系得出: 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和色差信號公式對R、G、B信號進行線性組合,產生I、Q和Y信號。 副載波形成電路分別輸出相位為33、123、180的三個副載波,供Q調制器、I調制器和色同步平衡調制器之用。 在解碼器中，先進行同步檢波，再由矩陣電路變換成重現圖像所需的RGB信號。 為什么要有一個1800的副載波？（行同步頭延遲） 2.4.3 NTSC制的主要參數及性能 1.主要參數： 對于NTSCM制: 場頻fV=60Hz； 行頻fH=525fV/2=15.750kHz； 每幀525行； 圖像信號標稱帶寬為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制彩色全電視信號頻譜彩色全電視信號頻譜圖： 2. 主要性能 (1)現有的三種兼容制彩色電視制式中,NTSC制色度信號組成方式最為簡單,因而解碼電路也最為簡單,易于集成化,特別是,在許多場合需要對電視信號進行各種處理,因而NTSC制在實現各種處理也就簡單。 (2)NTSC制中采用1/2行間置,使亮度信號與色度信號頻譜以最大間距錯開,亮度串色影響因之減小,故兼容性好。 (3)NTSC制色度信號每行都以同一方式傳送,與PAL制和SECAM制相比,不存在影響圖像質量的行順序效應(爬行“百葉窗”)。 (4)采用NTSC制一個最嚴重的問題,就是存在著相位敏感性

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

17、號的數學表達式為: F=FUFV=UsinSCtVcosSCt =Fmsin(SCt ) (229)圖218 隔行掃描逐行倒相的正負號改變規(guī)律 (a)奇數幀; (b)偶數幀圖218 隔行掃描逐行倒相的正負號改變規(guī)律 (a)奇數幀; (b)偶數幀 圖219 逐行倒相色度信號矢量圖(a)任一色調的色度信號; (b)彩條矢量逐行倒相情況 圖220 逐行倒相實現框圖 cosSCtsinSCt副載波發(fā)生器 圖221 逐行倒相波形關系(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色度信號頻譜(a)FU分量頻譜; (b)FV分量頻譜; (c)色度信號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,亮度信號和色度信號必須共同占用與黑白電視信號相同的信號帶寬。副載波的選擇原則應使亮度信號與色度信號頻譜的主譜線彼此錯開，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行間置時的頻譜結構1/4行間置時的頻譜結構1/4行間制 令亮度信號Y的主譜線nfH位于fsc與(fsc+fH/2)之間，這樣就使亮度信號Y和兩個色度信號分量的頻譜相互錯

19、開,那么nfH應滿足下述關系:從而求出: 對于行頻為15625Hz,場頻為50Hz,標稱視頻帶寬為6MHz的系統(tǒng),根據選擇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、色副譜線的相互關系(a)fSC=283.75fH時的譜線關系; (b)增加25Hz后的改善情況V 2.5.5 PAL制色同步信號 PAL制彩色電視接收機在解調色度信號時,需要對PAL行送-cosSCt副載波,對NTSC行送+cosSCt副載波。要做到這一點,需要有一個識別PAL行

20、與NTSC行的識別信號,即需要在發(fā)送端提供一個附加信號色同步信號。 圖226 PAL制色同步信號 圖227 PAL制色同步信號形成方框圖 將K脈沖（頻率=行頻，寬度為2.25uS）以一定極性分別加入兩個色差信號中時，通過正交平衡調制和混合電路后，在形成色度信號的同時也形成了相位逐行倒相的色同步信號。圖228 PAL色同步信號矢量圖 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R、G、B編制成彩色全電視信號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)將經過校正的R、G、B三

21、基色電信號通過矩陣電路,變換成亮度信號Y和色差信號(R-Y)和(B-Y)。 (2)為了減小亮度信號對色度信號的干擾,讓Y信號通過一個中心頻率為副載波頻率fSC的陷波器并經過放大后與行、場同步及消隱信號相混合。 (3)色差信號(R-Y)和(B-Y)經幅度加權和頻帶壓縮后,得到已壓縮信號U和V。 (4)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經混合電路后輸出彩色全電視信號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成梳狀濾波器，將色度信號分離為FU、和FV兩個色度分量； 然后分別送U、V同步解調器，解調出U、V色差信號，再通過矩陣電路，得到G-Y信號； 亮度通道輸出的Y信號和三個色差信號同時輸入基色矩陣恢復電路，輸出R、G、B三基色信號。 色同步信號控制副載波的頻率和相位以及PAL開關、ACC、ACK、ARC等。圖230 PALD解碼器及各點波形 圖232梳狀濾波器方框圖及分離色度信號原理(a)梳狀濾波器方框圖及分離的波形、頻譜;(b)梳