電視技術(shù)概論-03彩色電視的基本原理

第3章彩色電視的基本原理3.1色度學(xué)的基本知識(shí)3.2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3.4PAL制彩色全電視信號(hào)3.5彩色電視機(jī)概述3.1色度學(xué)的基本知識(shí)圖3-1電磁波的波譜3.1.2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，它們又稱作彩色三要素。亮度是指彩色光對(duì)人眼所引起的明亮程度。當(dāng)光波的能量增強(qiáng)時(shí)，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(qiáng)度相同，當(dāng)照射同一物體時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不同的亮度。人眼對(duì)λ＝550nm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(lán)、紫分別表示不同的色調(diào)。它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。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)與色飽和度通稱為色度。3.1.3三基色原理與混色法圖3-2混色圖(a)相加混色圖；(b)彩色三角形從圖3-2(a)得知:紅光＋綠光＋藍(lán)光＝白光紅光＋綠光＝黃光綠光＋藍(lán)光＝青光紅光＋藍(lán)光＝紫光從配色實(shí)驗(yàn)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1LTW的紅光，4.5907LTW的綠光及0.0601LTW的藍(lán)光各作為一個(gè)基色單位，分別用［R］、［G］、［B］表示。正好配出1份E白光，其光通量為5.6508LTW(=1×1+1×4.5907+1×0.0601)。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=R［R］+G［G］+B［B］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=1［R］+1［G］+0.5［B］={0.5［R］+0.5［G］+0.5［B］}+0.5［R］+0.5［G］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50%，其光通量為FL=1×1+1×4.5907+0.5×0.0601LTW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。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(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1lm(流明)C白光的方程式為：

Y=0.299R+0.587G+0.114B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(shí)踐表明，由此引起的圖像亮度誤差很小，完全能滿足視覺對(duì)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）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(duì)亮度所起的作用，稱為可見度系數(shù)。例如，在一個(gè)單位亮度的白光當(dāng)中，紅基色對(duì)白光亮度的貢獻(xiàn)為30%，綠基色對(duì)白光亮度的作用為59%，藍(lán)基色對(duì)白光亮度的貢獻(xiàn)為11%。當(dāng)R=G=B=1時(shí)，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。在彩色電視信號(hào)傳輸過程中，亮度信號(hào)和三基色信號(hào)以電壓的形式來代表，亮度方程可改寫成電壓的形式，即

EY＝0.30ER+0.59EG+0.11EB這里，EY、ER、EG、EB各代表亮度信號(hào)、紅信號(hào)、綠信號(hào)和藍(lán)信號(hào)的電壓且分別獨(dú)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(hào)電壓EY、ER、EG、EB分別以Y、R、G、B來表示。3.2彩色圖像的分解與重現(xiàn)3.2.1彩色圖像的分解3.2.2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(hào)又被解碼器分解為三個(gè)基色信號(hào)去控制彩色顯像管的三個(gè)電子束。圖3-3彩色電視傳送的基本過程3.3黑白、彩色電視兼容的可能性3.3.1色度信號(hào)的編碼傳輸1.色度信號(hào)的編碼重要條件之一就是要求彩色全電視信號(hào)和黑白電視信號(hào)都同樣占有6MHz的帶寬。這就是說，對(duì)彩色電視來說，一般不直接傳送三個(gè)基色信號(hào)。因?yàn)閱螐恼加妙l帶來看，為了保證圖像清晰度，每一基色信號(hào)帶寬應(yīng)與黑白圖像信號(hào)相同，則三個(gè)基色所占頻帶總和為18MHz，因此，為了達(dá)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(hào)，然后再選擇兩種基色信號(hào)。對(duì)于彩色電視機(jī)而言，可將亮度信號(hào)與被選的兩種基色信號(hào)組合獲得三基色信號(hào)送至彩色顯像管。例如，選用Y、R、B三種信號(hào)，G是可以通過亮度方程和已知二基色信號(hào)的值解得的。但這樣做有個(gè)很大的缺點(diǎn)，即亮度信號(hào)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(hào)。為了克服這一缺點(diǎn)，一般不選基色本身作為色度信號(hào)，而是對(duì)基色信號(hào)進(jìn)行編碼，而從基色信號(hào)中減去亮度信號(hào)，編碼后的信號(hào)稱為色差信號(hào)。例如，R-Y,B-Y,G-Y。

R-Y=R-(0.3R+0.59G+0.11B)=0.7R-0.59G-0.11BB-Y=-0.3R-0.59G+0.89BG-Y=-0.3R+0.41G-0.11B由于G-Y信號(hào)數(shù)值較小，對(duì)改善信雜比不利，G-Y又可由R-Y和B-Y通過簡(jiǎn)單的電阻矩陣合成，所以通常只傳送Y，R－Y和B-Y這三種信號(hào)，而不傳送G-Y信號(hào)。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。2.傳送色差信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)(1)兼容效果好當(dāng)選用Y、R-Y、B-Y三種信號(hào)時(shí)，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(shí)，色差信號(hào)均為零，因?yàn)槿魏魏诎讏D片僅有亮度明暗的層次變化，因此它們的三基色信號(hào)總是相等的。例如，傳送一灰色時(shí)，其三基色信號(hào)為R=G=B=0.4V，它們合成的亮度信號(hào)Y=0.4V，所以色差信號(hào)R-Y,B-Y也為零。因此，色差信號(hào)只表示色度而不表示亮度。而且三色差信號(hào)對(duì)亮度的貢獻(xiàn)為零。0=0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y)

(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(hào)失真與否無關(guān)，只與亮度信號(hào)本身的大小有關(guān)。假設(shè)某一時(shí)刻為一種偏紫的紅色，其三基色信號(hào)為R=0.7V，G=0.4V，B=0.5V，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(hào)和藍(lán)色差信號(hào)為R-Y=0.7-0.5=0.2VB-Y=0.5-0.5=0V如果我們選用Y、R-Y、B-Y三種獨(dú)立信號(hào)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(hào)相加獲得R、B基色信號(hào)為0.7V、0.5V，同時(shí)，也可按式(3-6)合成綠色差信號(hào)：G-Y=-0.51(R-Y)-0.19(B-Y)=-0.11V然后再與亮度信號(hào)Y相加得到綠基色信號(hào)為0.39V，所恢復(fù)的三基色信號(hào)重現(xiàn)的亮度仍是0.5V。在傳輸過程中，假若Y信號(hào)無失真仍為0.5，而色差信號(hào)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=0.51×0.3-0.19×0.2=-0.191V，在接收端已失真的色差信號(hào)與未失真的亮度信號(hào)合成后形成的三基色信號(hào)為：

R′=(R-Y)′+Y=0.3+0.5=0.8V

G′=(G-Y)′+Y=-0.191+0.5=0.309V

B′=0.2+0.5=0.7V

Y′=0.3×0.8+0.59×0.309+0.11×0.7=0.5V(3)有利于高頻混合選用色差信號(hào)是有利于高頻混合的。為了在接收端能夠得到帶寬為6MHz的三個(gè)基色信號(hào)，只要將窄帶的色差信號(hào)混入一個(gè)6MHz全帶寬的亮度信號(hào)就可以達(dá)到混合高頻的目的。用亮度信號(hào)中的高頻分量代替基色信號(hào)中未被傳送的高頻分量，可用公式表示如下：3.3.2頻帶壓縮與頻譜間置在我國彩電制式中，規(guī)定色度信號(hào)帶寬壓縮到1.3MHz。2.頻譜間置(1)亮度信號(hào)的頻譜分析圖3-4簡(jiǎn)單圖像信號(hào)波形和頻譜如圖3-4所示的圖像信號(hào)就分別是按幀頻fZ重復(fù)的周期方波，即場(chǎng)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(jí)數(shù)分別展開為：或(2)頻譜間置圖3-5亮度與色度信號(hào)頻譜間置示意圖3.彩色電視全射頻電視信號(hào)的頻域示意圖圖3-6彩電電視全射頻電視信號(hào)頻域圖3.3.3NTSC制編碼的調(diào)制與解調(diào)基本原理圖3-7正交平衡調(diào)制原理(a)正交平衡振幅調(diào)制方框圖；(b)色信號(hào)F的矢量圖圖3-7(b)畫出了色度信號(hào)F的矢量圖，圖中，對(duì)角線的長度代表色度信號(hào)F的幅值，而φ是F的相角，Ｆ的矢量式為：式中：由于正交平衡調(diào)幅實(shí)際上是一個(gè)乘法器，對(duì)于單頻正弦波的調(diào)幅信號(hào)sinΩt·cosω0t來說，根據(jù)三角函數(shù):圖3-8正弦波和矩形波對(duì)載波進(jìn)行平衡調(diào)幅后的波形和頻譜矩形波調(diào)制載波后的平衡調(diào)幅波的特點(diǎn)是：①平衡調(diào)幅波的振幅與載波信號(hào)振幅無關(guān)，而與調(diào)制信號(hào)振幅成正比；當(dāng)調(diào)制信號(hào)為零時(shí)，平衡調(diào)幅波的幅度也為零。②因調(diào)制器實(shí)際是一個(gè)乘法器：因而當(dāng)調(diào)制信號(hào)電壓為正值時(shí)，平衡調(diào)幅波與載波同相；當(dāng)調(diào)制信號(hào)電壓為負(fù)值時(shí)，平衡調(diào)幅波與載波反相。當(dāng)調(diào)制信號(hào)經(jīng)過零點(diǎn)，(以周期調(diào)制信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn))平衡調(diào)幅波相位變化180°。從高頻電子技術(shù)中得知，普通調(diào)幅波的特點(diǎn)是：①其振幅由載波信號(hào)振幅和調(diào)制信號(hào)振幅共同決定，當(dāng)調(diào)制信號(hào)振幅為零時(shí)，普通調(diào)幅波的振幅等于載波振幅。②從頻率上看，普通調(diào)幅波仍以載波周期為周期。③調(diào)幅波的包絡(luò)隨調(diào)制信號(hào)而變化，其包絡(luò)代表原調(diào)制信號(hào)。圖3-9正交解調(diào)原理方框圖現(xiàn)以(B-Y)藍(lán)色差解調(diào)為例，簡(jiǎn)要地分析一下解調(diào)過程。通過低通濾波器后，高頻被旁通，從而獲得(B-Y)/2藍(lán)色差信號(hào)。3.3.4PAL制彩色電視編碼與解碼原理1.逐行倒相PAL制基本上采用了NTSC制的各項(xiàng)技術(shù)措施，并增加了一些技術(shù)措施來克服NTSC制中對(duì)相位失真較敏感的缺點(diǎn)。它是采用色差信號(hào)(R-Y)和(B-Y)作為色度信號(hào)的兩個(gè)分量。兩個(gè)色差信號(hào)均占用0～1.3MHz，且幅度按百分比進(jìn)行壓縮，即則當(dāng)掃描順序?yàn)榈趎行時(shí)，F(xiàn)V=VcosωSCt；當(dāng)掃描順序?yàn)閚+1行時(shí)，F(xiàn)V=Vcos(ωSC+180°)t，即當(dāng)?shù)趎行FV的相位為90°，則第n＋1行的為270°(或-90°)，第n＋2行的相位又回到90°如此反復(fù)進(jìn)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(hào)的相位也是逐行改變的，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中: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)波形圖圖3-11PAL制編碼的調(diào)制原理框圖

2.PAL制編碼的調(diào)制、解調(diào)原理(1)PAL制編碼器(2)PAL制解碼器圖3-12逐行倒相正交同步解調(diào)原理3.PAL制頻譜間置原理圖3-13半行頻間置的頻譜和行頻間置逐相倒相后仍用半行頻間置的頻譜；(b)PAL制的信號(hào)頻譜采用1/4行頻間置PAL制采用1/4行頻間置，副載波頻率為實(shí)際上，為了減小副載波對(duì)亮度信號(hào)的干擾，改善兼容性，PAL制副載頻附加了25Hz，稱為半場(chǎng)頻間置，即選擇4.PAL制梳狀濾波器解碼原理圖3-14梳狀濾波器的原理框圖由于利用超聲玻璃延時(shí)線來實(shí)現(xiàn)紅、藍(lán)兩色度分量的分離，因此稱作延時(shí)解調(diào)器。又由于延時(shí)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(hào)為由于V信號(hào)逐行倒相，所以第n-1行色度信號(hào)為這樣，F(xiàn)n-1信號(hào)經(jīng)過延時(shí)器延時(shí)63.943μs(約延時(shí)64μs)再反相后正好和Fn同時(shí)到加法器和減法器中，經(jīng)相加式相減可得:同理：5.超聲玻璃延時(shí)線超聲玻璃延時(shí)線的典型參數(shù)如下：延時(shí)時(shí)間：63.943μs±3ns；工作頻率：4.43MHz±1MHz；插入損耗：-8±3dB；工作溫度：-10～50℃；輸入輸出阻抗：390Ω；最大輸入電壓：6V。圖3-15五次反射片狀超聲延時(shí)線的結(jié)構(gòu)與符號(hào)(a)結(jié)構(gòu)；(b)符號(hào)3.4PAL制彩色全電視信號(hào)3.4.1彩色圖像信號(hào)分析1.三基色信號(hào)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(hào)。圖3-16三基色信號(hào)波形及其對(duì)應(yīng)的彩條圖形(2)參數(shù)介紹彩條信號(hào)的主要參數(shù)有相對(duì)幅度、飽和度和頻帶寬度。其相對(duì)幅度、飽和度的計(jì)算公式如下：2.標(biāo)準(zhǔn)彩條的亮度與色差信號(hào)波形由于電視臺(tái)送出的彩色信號(hào)是兩個(gè)色差信號(hào)和一個(gè)亮度信號(hào)，所以可根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)彩條信號(hào)的規(guī)定，利用亮度方程算出各種規(guī)范彩條信號(hào)的Y，(R-Y)和(B-Y)。例如：在100/0/100/0彩條中，黃色彩條對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)R=G=1，B=0，算表3-1圖3-17亮度與色差信號(hào)波形