基于matlab的彩色电视系统的建模仿真设计.doc

毕业设计说明书基于Matlab/Simulink的彩色电视系统的建模仿真设计专业电子信息工程学生姓名黄秀海班级B电子071学号0710602107指导教师朱 明完成日期2011年6月7日3盐城工学院本科生毕业设计说明书（2011）基 于 Matlab/Simulink的 彩 色电 视 系 统 的 建 模 仿 真 设 计摘 要:近年来，随着仿真技术的普及应用，以及各种仿真软件的出现，仿真技术已经深入到各行各业。电视系统原理作为一门课程，教学过程中希望能显示各个阶段动态电视信号的图形，而现今的媒体教学还没有达到这种要求，实验课又受到物理条件和时间空间的限制。因此提出基于MatlabSimulink来构建电视系统模型，从而能够动态仿真电视系统各主要环节及每个阶段的电视信号波形。该电视系统建模仿真旨在基于MatlabSimulink的基带图像信号编码器和解码器的研究，并不涉及电视信号的发射和接收的调制、解调，不涉及高频，中频，混频等技术，不涉及伴音信号。通过标准彩条信号仿真电视系统中各主要阶段的电视波形，并对波形进行分析。主要分析和比较模型的显示波形与理论波形，进而比较解码器和编码器模型中的显示波形。仿真结果表明，该模型能够正确地仿真出动态的电视信号波形。将标准彩条信号产生模块置换成静态图像读取模型，对图像处理进行初步研究。首先将produce RGB signal的仿真数据传输Workspace工作空间，通过仿真数据显示彩条信号的图像。然后通过编写S-function函数读取任意静态图像，并将图像读取模块与电视系统仿真模型连接起来，从而显示读取图像的波形，并且通过对仿真数据处理显示读取的图像。这使电视系统具有更大的通用性和研究价值，有了进一步研究的空间。关键词：电视系统仿真平台；电视信号波形；标准彩条信号Based on Matlab/Simulink color television system modeling simulation designAbstract：In recent years ,with the popularization of the application of simulation technology ,the emergence of a variety of simulation software, simulation technology has penetrated into all walks of life .As a curriculum for television principle ,its better to show the waveform of the televisions signal at every step ,while the existent technique call t reach the request ,and the experiments are limited by the physical conditions，time and space .This paper puts forward how to construct the models of television system based on Matlab/Simulink. Thereby the models can simulate the dynamic processes of TV and give the waveforms of the TV signals at every step dynamically The TV system model based on Matlab/Simulink is to research the encoder and decoder of the baseband image .It doesnt involve the modulation and demodulation of the television transmitting and receiving .It doesnt refer to these technologies, such as high-frequency ,intermediate frequency and mixing, and the sound signal. Simulate the main waveforms of the television model via the standard colorful bars signal and carry on the analysis to the waveforms .Its mainly carry on the analysis and comparison to the waveforms of the model display and the theory, as well as the waveforms in the decoder and encoder models .The simulation results indicate that this model can simulate the dynamic television signal waveform correctly.Replace the produce RGB signal model into the reading frozen picture model, and conduct the preliminary study to the imagery process. Transmit the simulation data of the produce RGB signal to the Workspace firstly and display the color bars signals image via processing the data. Then read random frozen picture through compiling the S-function ,and connect the read model and the television system simulation platform , thus display the waveform and the image of the frozen picture via dealing with the simulation data .It enables the television system to have a bigger versatility and the research value ,have the further study space.Key words: television system simulation platform; television waveform; standard; colorful bars signal.目 录1绪论11.1课题研究背景与意义11.2国内外研究现状21.3课题的目的和任务31.3.1仿真目的及意义31.3.2研究目标31.4研究方法和技术路线31.5仿真工具介绍41.5.1 MATLAB总体介绍41.5.2 MATLAB近年来在国外的发展状况61.5.3 SIMULINK相关介绍62 彩色电视信号基本原理72.1模拟彩色电视制式概述72.1.1彩色电视信号的兼容问题72.1.2模拟彩色电视制式分类72.2三基色原理92.3大面积着色原理92.4标准彩条信号102.6本章小结113 电视系统编码器建模113.1 RGB信号发生器的建模123.2 RGB-YUV模型143.3亮度信号通道建模153.3.1行同步信号153.3.2亮度信号153.4色度信号通道163.5全电视信号163.6仿真步长的设置163.7本章小结174 电视信号仿真与分析174.1 电视信号仿真与分析174.2 RGB信号产生模块仿真174.3亮度信号编码通道仿真184.4全电视信号的仿真194.5亮度信号解码通道仿真204.6色度信号解码通道仿真214.6.1色同步信号解调仿真214.6.2色副载波信号解调仿真214.6.3色度信号解调仿真224.6.4色差信号解调仿真234.7三基色信号解调仿真244.8本章小结245 彩色电视接收机仿真245.1仿真与分析245.2 本章小结266 总结27参考文献28致谢29附录30盐城工学院本科生毕业设计说明书（2011）基 于 Matlab/Simulink的 彩 色 电 视 系 统 的 建 模 仿 真 设 计1绪论1.1课题研究背景与意义 随着通信、电子及计算机技术的发展，与之密切相关的“手机电视”、图文电视、可视电话、广播电视、有线电视、会议电视、工业电视等电视系统作为信息终端也得到了长足的发展。尤其是数字电视的出现为电视系统提高性能、扩展功能及应用范围开辟了一条具有革命性的重要途径。因而，学习掌握电视的基本原理就变得更加的重要，当然，学习并掌握电视系统的结构组成、相关原理及各部分结构的特点是形势发展的需要。 “电视原理”是用来介绍电视系统的组成，分析说明图像摄取、传输、重现的过程及信号变换的过程，并从理论上分析各有关参数的选取及选择依据，分析说明各种电视制式的特点、组成及工作原理。这门课程不仅是从事电视、通信等相关领域的专业技术人员所必须掌握的，而且对于非专业人员来说，通过对这门课程的学习，也可以对电视有了较为全面的了解。目前国内许多学校在“电视系统”教学方面仍采用授课与实验相结合的教学模式，再辅以多媒体进行简单的演示。由于“电视原理”这门课在教学上需要一种直观性很强的授课方式，特别在现象判断、故障诊断与分析等教学上更是如此。而这些用语言是无法充分表达清楚，对现象分析判断正确与否最终都要依赖于电视屏幕上所显示的图像信息，系统内部出现什么情况，屏幕上图像相应给出什么信息，而这种信息经常是动态变化过程，如行或者场的不同步等，这是静态媒体教学做不到的。在实验教学方面，受教学设备规模大小、场地大小、人员素质等因素影响很大，且实验课一次所容纳的学生数量有限，还有设备使用及人员的安全性等，因此上实验课要耗费相当大的精力。利用PowerPoint或其他一些多媒体制作工具，所编写的演示文稿或多媒体课件，虽然能够较清楚的说明电视系统的结构、原理，但这只是静态的演示方法。对于形象演示一些难以理解的动态过程及内容等还很欠缺，学生也只能靠大脑去形象思维，而每个学生对所描述现象的想象程度如何取决于该学生的以往经验、背景知识、思维方式等。整个教学过程仍以教师的讲授为主，而学生仍然是被动的接收者。现代电视技术的发展，在电视系统中分离元器件使用越来越少，而更多地使用功能模块，使得从原来以分离元器件讲解电路为基础，过渡到以功能模块讲解电路为方向，把讲解重点放在模块功能的分析、应用。因此我们急切的需要仿真技术的结合，建立一套电视系统仿真模型，以便于利用模型对电视系统各部分工作原理进行分析以及对各点波形进行演示，达到对电视原理课程直观教学的效果。 目前，在国际仿真领域具有相当权重的软件是MATLAB，此软件在信号系统、通信、控制、智能、电路仿真应用方面功能强大。利用MATLAB仿真软件作为“电视系统”教学课件的关键是建立电视系统主要部分的MATLAB仿真模型，在课堂上可实时演示。这样使学生不仅对结构框图有一个静态的了解，而且在仿真过程中对电视系统内部动态工作过程也有一个形象化、直观化的了解。1.2国内外研究现状综合近几年国外多种教育技术杂志(如ET,ETS，EMI，JRCE，AJDE.)上所刊登的主要论文，以及国际上每年召开一次的规模最大的有关多媒体教育应用的国际会议“ED_MEDIA”世界大会，即“教育多媒体与超媒体”世界大会(World Conference on Educational Multimedia and Hypermedia)上所发表的基本观点，可以看出当前多媒体教育应用有几个值得注意的发展趋势，其中最重要的一条就是多媒体技术与仿真技术的结合。近年来，计算机仿真技术己渐渐的渗入网络教学。网络教学利用互联网技术，跨越时空限制，最大程度地整合教学资源，将一流师资和一流教学设备结合仿真技术，通过网络与大批需要得到信息与知识的同学结合起来。这不但使学习变成一件有趣的事，而且使办学单位减少了人力、物力的消耗。关于电视的研究，有软件的也有和硬件的，有模拟电视也有数字电视。其中硬件实现的研究有：电视信号的亮色分离自适应梳状滤波器的算法及其硬件实现，提出了电视信号的亮色分离的一种新的算法并进行了硬件验证。PAL/NTSC制视频编码器的研究与设计，给出了一个单片+5V电压Bipolar视频编码器设计和分析，其内部集成了PAL/NTSC制编码器的全部功能，只需外接一个产生4倍色副载波的石英晶体，就可将从编码信源引入的色副载波信号、R、G、B三原色信号和复合同步信号合成彩色全电视信号。电视信号数字解码器中同步提取、色度副载波恢复及色度解调部分的设计与Verilog实现，通过电视信号数字解码器芯片的设计，实现电视同步信号提取、亮色分离、色度副载波恢复及色度解调、输出格式转换等。模拟电视信号数字解码及视频处理研究与设计，用硬件实现模拟电视信号与数字电视信号的转换以及亮色信号和两种色差信号的分离。软件实现方面的有：关于电视信号的模拟及其模糊函数分析的研究，利用不同幅度、宽度、频率和相位的方波信号相叠加，生成模拟黑白全电视图像信号；并经过低通滤波器处理得到一个能够反映电视图像的较为逼真的信号波形。Multisim2001环境下全电视信号源的设计与仿真，以PAL制彩条信号为例，介绍了用Multisim2001电路仿真软件制作全电视信号源的基本方法，并对全电视信号进行了仿真分析。随着仿真技术的普遍，关于电视信号的研究很多，但是基于通用的MATLAB仿真软件，把电视系统仿真做成一个仿真平台，目前还没有进一步的研究。因此，本研究具有一定的新颖性。1.3课题的目的和任务1.3.1仿真目的及意义随着仿真技术的应用，越来越多的仿真技术与书本上理论的东西相结合，使书本上的知识从“死”变“活”，给学习者一种直观的感觉，既便于理解又容易记住。所以说计算机仿真技术与书本的结合，使传统的教育向未来的多媒体教学迈进了一大步。利用此仿真软件作为电视系统原理教学的关键是建立电视系统主要部分的MATLAB仿真模型，在课堂上可实时演示。这样使学生不仅对结构框图有一个更加充分的静态了解，而且在仿真过程中对电视系统内部动态工作过程也有一个形象化、直观化的了解。学生通过每个模块的参数设置，更深刻的了解电视原理，通过观察动态的波形，对电视波形的形成有了更加形象的认识，这使教学更加耳目一新。还可以把这个仿真模型放到网络上，实现远程教学。1.3.2研究目标课题主要是结合计算机仿真技术，运用MATLAB软件提供的动态系统仿真工具SIMULINK来实现电视系统系统仿真平台， 该平台仿真旨在基于MATLAB/SIMULINK的基带图像信号编码器和解码器建模与仿真的研究，但不涉及电视信号的发射和接收的调制、解调，不涉及高频，中频，混频等技术，不涉及伴音信号。研究的主要目标是：a.根据电视原理的编码、解码器原理，把每个功能用MATLAB/SIMULINK构建模型，没有现成的模型时，通过编写S-function函数来完成相应的功能；b.将编码器、解码器组成一个完整的仿真平台，通过对MATLAB的理解和应用，使仿真平台具有强大的仿真能力；c.电视系统各个主要阶段的电视波形的动态仿真，并对波形进行分析与比较；d.SIMULINK模型与Workspace工作空间的数据通讯，从而显示RGB信号信号发生器的标准彩条信号图形，以及解码后彩条信号的图形；e.静态图像读取模型的构建，以及读取模型与电视系统的连接，静态图像的电视波形以及图像显示的研究。1.4研究方法和技术路线对于一个完整的仿真平台来说，从整个系统的架构到每一个具体部分的设计都需要科学的安排。对于本系统来说，采取的是自上而下的设计方法。先总体规划出系统的几大部分，再具体对每一部分进行设计，这样的好处是思路比较清楚，不会遗漏。对于每个小的部分，基于自下而上的原则，用MATLAB/SIMULINK来构建电视系统的模型，对于不能用现有模块来实现的功能要自己创建模块，创建模块的关键技术就是用S-function封闭自己的算法。S-function是系统函数的英文缩写，它由特定的语法构成，用来描述并实现连续系统，离散或混合系统。S-function可以用M，C，FORTRAN等评议编写。往往S-function是整个动态系统的核心。将能实现电视每个功能的模块封装成一个子系统，作为一个小的系统。整个电视系统分为两个大的子系统：编码器和解码器，在每个大的子系统罩又有许多小的子系统。我们要构建的子系统模块有：RGB信号发生器模块，RGBYUV变换模块，PAL制色同步信号形成模块，U平衡调幅模块，V平衡调幅模块，FBAS形成模块，Y-C分离模块，Fu-Fv分离模块，基准副载波恢复电路模块，YUV-RGB还原模块，编码器模块，解码器模块等。然后把各个模块组合起来，形成完整的电视系统模型。对每个模型进行仿真，观察信号的波形，如果不符合，要对其进行研究、修正，其流程图如图1-1所示。仿真问题和目的确定仿真方案模块s-function编程修改程序修改模型构建仿真模型印证模型结果模块参数参数参数程序问题方案问题模型正确修改方案YYYYYNNNN图1-1 流程图1.5仿真工具介绍MATLAB是一门计算机编程语言，取名来源于Matrix Laboratory，本意是专门以矩阵的方式来处理计算机数据，它把数值计算和可视化环境集成到一起，非常直观，而且提供了大量的函数，使其越来越受到人们的喜爱，工具箱越来越多，应用范围也越来越广泛。1.5.1 MATLAB总体介绍本课题是通过MATLAB中的SIMULINK仿真实现PAL制彩色全电视信号的解调过程并利用GUI图形界面实现静态画面的还原。MATLAB是Math Works公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件。被誉为“巨人肩上的工具。由于使用MATLAB编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不像学习其它高级语言一如Basic、Fortran和C等那样难于掌握，用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题，所以又被称为演算纸式科学算法语言。MATLAB的含义是矩阵实验室(MATRIXLABORATORY)，主要用于方便矩阵取，其基本元素是无须定义维数的矩阵。MATLAB自问世以来，就是以数值计算称雄。MATLAB进行数值计算的基本单位是复数数组(或称阵列)，这使得MATLAB高度“向量化。由于它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的。MATLAB中包括了被称作工具箱(TOOLBOX)的各类应用问题的求解工具。工具箱实际上是对MATLAB进行扩展应用的一系列MATLAB函数(称为M文件)，它可用来求解各类学科的问题，包括信号处理、图像处理、控制系统辨识、神经网络等。随着MATLAB版本的不断升级，其所含的工具箱的功能也越来越丰富，因此，应用范围也越来越广泛，成为涉及数值分析的各类工程师不可不用的工具。MATLAB5.3以上的版本中包括了图形界面编辑GUI，改变了以前单一的“在指令窗通过文本形的指令进行各种操作”的状况。这可让使用者也可以像VB VC VJ等那样进行一般的可视化的程序编辑。MATLAB语言是当今国际上科学界(尤其是自动控制领域)最具影响力、也是最有活力的软件。具有用法简易、可灵活运用、程式结构强又兼具延展性的特点。以下为MATLAB的几个特色：a.功能强大的数值运算在MATLAB环境中，有超过500种数学、统计、科学及工程方面的函数可使用，函数的标示自然，使得问题和解答像数学式子一般简单明了，让使用者可全力发挥在解题方面，而非浪费在电脑操作上。b.先进的资料视觉化功能MATLAB的物件导向图形架构让使用者可执行视觉数据分，并制作高品质的图形，完成科学性或工程性图文并茂的文章。c.高阶但简单的程式环境作为一种直译式的程式语言，MATLAB容许使用者在短时间内写完程式，所花的时问约为用FORTRAN或C的几分之一，而且不需要编译(compile)及联结(1ink)即能执行，同时包含了更多及更容易使用的内建功能。d.开放及可延伸的架构MATLAB容许使用者接触它大多数的数学原使码，检视运算法，更改现存函数，甚至加入自己的函数使MATLAB成为使用者所需要的环境。e.丰富的程式工具箱MATLAB的程式工具箱融合了套装前软体的优点，有一个灵活开放但容易操作的环境，这些工具箱提供了使用者在特别应用领域所需要的许多函数。1.5.2 MATLAB近年来在国外的发展状况目前，MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，现在MATLAB已经不仅仅是一个“矩阵实验室了，它已经成为了一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言了有人称它为“第四代”计算机语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色。MATLAB语言的功能也越来越强大，不断适应新的要求提出新的解决方法。可以预见，在科学运算、自动控制与科学绘图领域MATLAB语言将长期保持其独一无二的地位。MATLAB语言是当今国际上科学界(尤其是自动控制领域)最具影响力、也是最有活力的软件。它起源于矩阵运算，并已经发展成一种高度集成的计算机语言。它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。MATLAB语言在各国高校与研究单位起着重大的作用。在国外，尤其是在美国，各著名大学在80年代术就已把MATLAB列入电气工程类专业课程的教学计划。成为大学生和研究生必修课程和实验环境中必须掌握的工具。在美国和欧洲大学中，九十年代将MATLAB正式列入了电予工程专业研究生和本科生的教学计划， MATLAB是必须掌握的基本工具。在设计研究单位和工业界，MATLAB也成为工程师们应该掌握的一种工具，是被认作进行高效研究、开发的首选软件工具。1.5.3 SIMULINK相关介绍SIMULlNK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它的模块库包含了许多实现不同功能的模块，使得研究者可以方便地构建功能清晰、结构合理的仿真系统。Simulink是一个用来进行动态系统仿真、建模和分析的软件包，它不但支持线性系统仿真，也支持非线性系统仿真，既可以进行连续系统仿真，也可进行离散系统仿真或者二者的混合系统仿真，同时它支持具有多种采样速率的系统仿真。可以用来建模、分析和仿真各种动态系统的交互环境，包括连续系统，离散系统和混杂系统。Simulink提供了采用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形交互界面。通过SIMULINK提供的丰富的功能块，可以迅速地创建系统的模型，不需要书写一行代码。Simulink提供了使用方框图进行仿真的平台，使用Simulink进行仿真和分析可以向在纸上绘图一样简单。它比传统的仿真软件包更直观、方便。Simulink是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。在Simulink提供的图形用户界面GUI上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复杂的仿真模型。它外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。 从建模角度讲，这既适于自上而下(Top-down)的设计流程(概念、功能、系统、子系统、直至器件)，又适于自下而上(Bottum-up)逆程设计。从分析研究角度讲，这种Simulink模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。在Simulink环境中，用户将观察到现实世界中非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响。而且可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。近年，Simulink已在学术和工业等领域得到广泛的应用，用它可以进行动态系统的建模和仿真，也可以很随意地建立各种模型。Simulink仿真是交互式的，可以很随意地改变模型的参数并且马上就可以看到改变参数后的结果，是一种理想的电子信息仿真的工具。2 彩色电视信号基本原理“电视原理”是用来介绍电视系统的组成、原理的一门课程，介绍图像摄取、传输、重现及信号变换的过程等。本章从理论上分析各有关参数的选取及选择依据，分析说明各种电视制式的特点。2.1模拟彩色电视制式概述2.1.1彩色电视信号的兼容问题彩色电视是在黑白电视的基础上发展起来的，彩色电视应该与黑白电视兼容。所谓兼容，就是黑白电视接收机既能接收彩色电视信号，也能重现黑白电视信号；彩色电视接收机既能接收彩色电视信号，也能重现黑白电视信号。要做到黑白、彩色电视互相兼容，必须满足下列基本的要求：a.在彩色电视的图像信号中，要有代表图像亮度的亮度信号和代表图像色彩的色度信号。黑白电视机接收彩色节目时，只要将亮度信号取出，就可显示出黑白图像。彩色电视接收机应具有亮度通道和色度通道，当接收彩色节目时，亮度通道和色度通道都工作，重现彩色图像；当接收黑白节目时，色度通道自动关闭，亮度通道相当于黑白电视机，可显示出黑白图像，这样就做到了兼容。b.彩色电视只能占有与黑白电视相同的视频带宽和射频带宽，这就要求彩色电视能将色度信号安插到6MHz的视频带宽中去，采用的方法是频带压缩、频谱交错等方法。c.彩色电视应与黑白电视有相同的图像载频、伴音载频以及两者之间的间距。d.彩色电视与黑白电视的行、场扫描频率和行、场同步信号的各项标准等都应相同。2.1.2模拟彩色电视制式分类通常，黑白电视以每帧扫描行数，每秒扫描场数，信道频带宽度以及隔行扫描方式等作为基本技术要求和参数。对于彩色电视系统来说，除了上述有关特性以外，在发送端和接收端还必须采取某种特定的信号处理方式，彩色电视系统对色差信号的不同调制方式，构成了不同的彩色电视制式，从而形成了具有不同特点的各种彩色电视制式。目前各国的电视制式不尽相同，制式的区分主要在于其帧频(场频)的不同、分解率的不同、信号带宽以及载频的不同、色彩空fnJ的转换关系不同等等。世界上现行的彩色电视制式有三种：NTSC(National Television System Committee)制(简称N制)、PAL(Phase Alternation Line)制和SECAM制。a.NTSC彩色制式是1952年由美国国家电视标准委员会指定的彩色电视广播标准，它采用正交平衡调幅的技术方式，故也称为正交平衡调幅制。美国、加拿大等大部分西半球国家以及中国的台湾、日本、韩国、菲律宾等均采用这种制式。其特点是解码线路简单、成本低。b.PAL制式是西德在1962年指定的彩色电视广播标准，于1967年正式广播，它采用逐行倒相正交平衡调幅的技术方法，克服了NTSC制相位敏感造成色彩失真的缺点。西德、英国等一些西欧国家，新加坡、中国大陆及香港，澳大利亚、新西兰等国家采用这种制式。其特点是对相位偏差不敏感，并在传输中受多径接收而出现重影彩色的影响较小。c.SECAM是法文的缩写，意为顺序传送彩色信号与存储恢复彩色信号制，SECAM制式即塞康制是由法国在1956年提出，1966年制定的一种新的彩色电视制式。它也是为了改善NTSC制的相位敏感性而发展的彩色电视制式，但采用时间分隔法来传送两个色差信号。使用SECAM制的国家主要集中在法国、东欧和中东一带。其特点是受传输中的多径接收的影响较小。彩色电视制式具体的参数如表2-1所示。表2-1 彩色电视制式TV制式NTSC-MPAL-DSECAM帧频(Hz)302525行/帧525625625亮度带宽（MHz）4.26.06.0彩色幅载波（MHz）3.584.434.25色度带宽（MHz）1.3(I),0.6(Q)1.3(U),1.3(V)1.0(U),1.0(V)声音载波（MHz）4.56.56.52.2三基色原理正如我们所知，不同波长的光会引起人眼不同的彩色感觉，两种不同光谱成分的光也可以引起人眼产生于单一光谱相同的彩色感觉。也就是说，不同光谱成分的光经混合能引起人眼有相同的彩色感觉；单色光可以由几种颜色的混合光来等效；几种颜色的混合光也可以由另外几种颜色的混合光来等效；这一现象称混色。利用这种混色的方法，人们可以只用几种颜色的光束仿造出大自然中大多数的彩色，而不必去考虑这些放在彩色的光谱成分如何。人们在进行混色实验时发现：只要选取三种不同颜色的单色光按一定比例混合就可以得到自然界中大多数彩色，其有这种特性的三个单色光叫基色光，对应的三种颜色称三基色。原则上三基色的选择不是唯一的。在彩色电视中，采用的三基色分别是红色、绿色和蓝色。这是因为人眼对这三种颜色的光较敏感，自然界中所能观察到的各种颜色几乎都能由它们相混配出。由三基色光相混合所得彩色光的亮度等于三种基色亮度之和，这种色光的混色又称为相加混色。由此，得到一个重要的原理三基色原理，三基色原理告诉我们：a.三基色必须是相互独立的，即其中任一种基色都不能由另外两种基色混合而产生。b.自然界中的太多数颜色，都可以用三基色按一定比例混台得到。或者说，自然界中的大多数染色都可以分解为三基色。c.三基色的混合比例，决定了混合色的色调和饱和度。d.混合色的亮度等于构成该混合色的各个基色的亮度之和。三基色原理足对颜色进行分解与合成的重要原理。这一原理为彩色电视技术奠定了基础，极大地简化了用电信号来传输彩色的技术问题。我们知道，黑白电视只需传送一个反映景物亮度的电信号,而彩色电视要传送的是亮度不同、色调和饱和度千差万别的彩色。如果每一颜色都使用一个与之对应的电信号来传送，那么要同时传送的电信号就非常之多，以至于使彩色电视无法实现。有了三基色原理，我们只需要将要传送的颜色分解为三基色，然后再分别以对应的一种电信号进行传送就可以了。实际的彩色电视比分别传送三基色还要简单。2.3大面积着色原理进一步研究人眼的视觉特性发现，人眼对黑白对比的细节有较高的分辨力，而对彩色对比的细节分辨力较低，这即所谓的“彩色细节失明”。由此可见：当重现彩色图像时，对着色面积较大的各种颜色，显示其色度可以丰富图像内容，看上去生动；而对彩色的细节部分，彩色电视可不必显示出色度的区别，因为人眼已不能辨认它们之间的色度的区别了，只能感觉到它们之间的亮度不同。这就是大面积着色原理的依据。在彩色图像传送过程中，只有大面积部分需要在传送其亮度信息的同时还必须传送其色度成分。而颜色的细节部分，都可以用亮度信号来取代。换言之，三个基色中的图像信号高频分量(对应着图像彩色细节)可以用一个只代表亮度的信号来传送，这种方法又常称为“混合高频原理”。电视图像的水平清晰度是和信号的频带宽度成正比的。水平清晰度每增加80线，相当于视频宽带增加1MHz。因而可用6MHz带宽传送亮度信号，而用窄带传送色度信号。这样由于亮度细节分明，图像清晰度仍然很高，这正是能够限制色度信号带宽的原因。经过对许多正常视力的人统计，若用1MHz带宽传送色度信号，所获得的彩色图像88的人感到满意；若用2MHz带宽传送色度信号，几乎所有的人都会对所获得的彩色效果满意。我国电视制度规定，色度信号的频带宽度为1.3MHz。2.4标准彩条信号标准彩条信号是由彩条信号发生器产生的一种测试信号。它使用电的方法产生的模拟彩色摄像机拍摄的光电转换信号，常用于对彩色电视系统的传输特性进行测试和调整。标准彩色信号是由三个基色、三个补色、白色和黑色，依亮度递减的顺序排列，依次为白、黄、青、绿、品、红、蓝、黑的8条垂直彩带。彩条电压波形是在一周期内用三个宽度倍增的理想方波构成的三基色信号，如图2-3所示。其中图2-3(a)为显像管屏幕上重现的彩条图像；图2-3(b)为对应的三基色电信号；图2-3(c)是由三基色计算得到的亮度信号Y；图2-3(d)是三个色差信号(R-Y)、(B-Y)和(G-Y)电压波形。由亮度和色差信号的方程可求得彩条信号中各条相对应的亮度信号和色差信号电平，其值列入表2-2。表2-2 标准彩条三基色，亮度，色差电平值色别白黄青绿品红蓝黑R11001100G11110000B10101010Y1.000.890.70.590.410.30.110.00R-Y0.000.11-0.70.590.590.7-0.110.00B-Y0.00-0.890.3-0.590.59-0.30.890.00B-Y0.000.110.30.41-0.41-0.3-0.110.00常见的彩条信号有100-0-100-0彩条，100-0-100-25彩条和100-0-75-0彩条三种。我国PAL制标准彩条信号采用100-0-75-0准彩条信号，100饱合度，75幅度的彩条，即100/75彩条，又命名为100-0-75-0准彩条信号，这种彩条信号中，黑、白条的基色电压最大和最小值为l和0，但彩色条的基色电压的最大和最值值分别为0.75和0。这种彩条信号是欧洲广播联盟(EBU)制定的，所以又称为EBU彩条。在此文的建模和仿真中，将表2-1所示的彩条信号作为标准。图2-3 100%幅度，100%饱和度彩条信号(a)彩条信号；(b)三基色电压；(c)亮度信号；(d)色度信号2.6本章小结本章主要介绍了模拟彩色电视的兼容问题以及彩色电视制式的分类，并且介绍了彩色电视中使用的一些基本原理如三基色原理和大面积着色原理。3 电视系统编码器建模电视编码器及编码过程，所谓编码，就是把三基色电信号R、G、B编制成彩色全电视信号FBAS的过程，编码器就是用来编码的电路。本章主要介绍编码器中各个主要功能的建模过程和参数设置。电视编码器的具体建模过程如下：(1)R、G、B三基色电信号通过矩阵电路，变换成亮度信号Y，和色差信号(R-Y)和(B-Y)。(2)为了减小亮度信号对色度信号的干扰，让Y信号通过一个中心频率为副载波频率fsc的陷波器并经过放大后与行、场同步及消隐信号相混合。此外，由于色差信号经过滤波电路会引起附加时延，为使亮度信号与色度信号能同时进入混合电路，需将亮度信号延时大约0.6。(3)色差信号(R-Y)和(B-Y)经幅度加权和频带压缩后，得到已压缩信号U和V。色差信号V与+K脉冲混合后与cossc载波同时加入平衡调幅器，经平衡调幅电路输出已调色差信号Fv和色同步信号的Fbv。分量；色差信号U与-K脉冲混合后，对sinsct平衡调幅，得到已调色差信号Fu和色同步信号Fbu分量。以上二色度信号分量与色同步信号分量混合后，最后得到色度信号F，和色同步信号Fb。为得到逐行倒相的正交副载波cossc需设置90相移,180倒相和PAL开关电路、逐行倒相的半行频(7.8kHz)开关控制信号。(4)色度信号F、色同步信号Fb、亮度信号Fb与消隐信号A、同步信号S经混合电路后输出彩色全电视信号FBAS。3.1 RGB信号发生器的建模PAL制编码器的输入是R、G、B三基色电信号，因此在编码之前，首先要产生R、G、B三基色信号。为了使三种基色混合出等时间宽度的8种颜色，三种基色的频率应该是2倍的关系。但考虑到在63.6s的行周期内还存在消隐和同步信号。其中，行消隐脉冲一行一个，重复周期63.6s，宽度为11.45s。在这11.45s中还存在行同步脉冲和色同步信号。所以实际上三基色信号每个行周期所占的宽度为52.15s。为了计数和设置方便，行周期设为64s，消隐时间设为12s，基色信号时间为52s。这样，由标准彩条信号的理论知识，将R、G、B三基色的频率分别设为26s、52s和13s。阶梯信号包括两部分：行信号和列信号。考虑到三基色信号在每个行周期只占了64s中的52s，只能在52s中产生列信号，因此使用了Enabled Subsystem使能模块，使能模块的工作原理是该模块只有在触发口的输入为高时模块里的各子模块才有效运行。利用行信号的脉冲来激励使能模块中列信号脉冲的产生，这样在每个行周期的52s64s之问就不会产生多余的列信号。彩条信号源发生器建模如图3-1所示。在触发模块Enabled Subsystem的内部有三个计数器，通过计数分别产生R、G、B信号。以R信号为例：计数脉冲为0.5s，即0.5s计一次数，计数器共计52个脉冲，每计52个数清零一次。每计一次数，幅度加一，输出的阶梯波通过一个比较器，与26做比较，若高于或等于26则输出1，低于26则输出0，这样便产生了宽度为26s占空比为50的脉冲，即可作为R信号。同理可产生G信号和B信号。这样即可实现每隔64s产生一组R、G、B三基色信号，此时的R、G、B三基色信号的周期分别为26s、52s和13s。由于比较器输出的数值类型为逻辑型而计数器的重置端要求输入双精度的数据，因此加入了数据类型转换模块(Data Type Conversion)。其中Pulse Generator参数：Pulse(secs)设置为0.0000005，Period Width(of period)设置为50。使能信号Enable的参数设置为held。随着模型的变大和复杂性的增加，便于整体模型的管理和视觉效果，把RGB信号发生器的模型封装成一个子系统，子系统的名称为produce RGB signals。创建子系统的优点：减少模型窗口上显示的模型数目；将功能相关的模块组合在一起；建立一种层次型的模型图表，子系统模块在一层，组成子系统的模块在另一层。图3-1 RGB信号发生器模型另外为了把全电视的图形信号与消隐信号分开，即在每个行周期的52s64s之问就不会产生多余的信号，在RGB信号发生器的中加入了占空比0.8125(52/64=0.8125)的Pulse Generator，如图3-2所示，其Pulse Generator的参数设置：Pulse(secs)设置为0.000064，Period Width(of period)设置为81.25。这样设置的结果是使电视信号加载在81.25的空间上，消隐和同步信号加载在18.75的空间上。图3-2 RGB使能子系统3.2 RGB-YUV模型在电视系统中，要使传送的图像清晰，并具有活动、连续而又无闪烁感，则要求传送频率大于临界闪烁频率46.8Hz，即每秒传送46.8场以上的图像。因此，我国的电视制式规定，场扫描频率fv为50Hz，每帧图像的扫描行数为625行。由于PAL制采用的是逐行扫描，帧频与场频相等，虽然理论上电视图像的最高频率为11MHz，但是隔行扫描将视频带宽压缩为逐行扫描的1/2，即大约是5.5MHz左右，我国规定视频信号带宽按照6MHz分析计算。由于模拟产生的RGB信号波形是理想情况下产生的信号波形，因此脉冲信号的边沿呈严格的陡峭状，具有数量最多的高次谐波，又因为RGB信号含有亮度信息，所以需要经过低通滤波器进行滤波，频率为6MHz。因此在RGB进行YUV转换之前，从RGB信号发生器出来的信号先通过6M的低通滤波器如图3-3所示，滤波器采用Bessel低通滤波方法，使信号较为平滑，边频为2*pi*6000000rads/sec，其中pi=3.1415926。这样就只有频率低于6MHz的信号才能通过滤波器。其低通滤波器的参数设置：Design method为Bessel，Filter order为Lowpass，passband edge frequeney(radssec)2*pi*6000000。图3-3 低通滤波器根据亮度信号方程Y=0.3R+0.59G+0.11B，色差信号方程U=0.493(B-Y)=0.877(R-Y)构建RGB-YUV的模型，如图3-4(a)所示，并且把这个模型封装成一个子系统，如图3-4(b)所示。 (a) (b)图3-4 RGB-YUV模型 （a）RGB-YUV模型；（b）RGB-YUV子系统3.3亮度信号通道建模3.3.1行同步信号电视系统中，收、发扫描必须严格同步，即收、发扫描对应的行、场起始和终止位置必须严格一致，否则就会出现画面失真或不稳定现象。为了收、发同步的需要，电视发送端每当扫完一行时，加入一个行同步脉冲；每当扫完一场时，加入一个场同步脉冲；他们分别在行与场逆程期间传送，其宽度分别小于行、场逆程时间。在接收端必须先将这些行、场同步脉冲分离出来，用以分别控制接收机中的行、场扫描锯齿波电流的周期和相位。换言之，只有当行、场同步脉冲到来时才开始行与场的回扫，这就保证收、发双方扫描电流的频率和相位都相同，即可保证同步。由于本课题只是仿真编、解码过程，因此不需要考虑场同步信号。 行同步脉冲宽度为4.7s (占空比设置4.7s/64s =0.0734