运用MATLAB学习彩色全电视信号的编码、解码及频谱分析

1、电 视 原 理运用MATLAB学习彩色全电视信号的编码、解码及频谱分析院系： 专业： 姓名： 2011年6月5日编码及其频谱分析【摘要】MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，算

2、法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.【关键字】：MATLAB 、Simulink、信号处理、数据分析PAL制彩色电视编码原理：PAL是英文（逐行倒相）Phase Alte

3、rnation Line 的缩写。所以按照其特点PAL制又可称之为“逐行倒相正交平衡调幅”制。PAL制彩色全电视信号由亮度信号、色度信号、色同步信号、复合消隐信号和复合同步信号组成。经过图象信号处理后的三基色信号和各种同步信号同时送入PAL编码器，经过一系列的处理加工后，即可形成PAL制彩色全电视信号。具体过程如下：校正的三基色信号R、G、B由矩阵电路变成亮度信号Y、蓝色差信号（BY）和红色差信号RY。在亮度通道中，设置有副载波陷波器和延迟线，前者是为了减少进入接收机色度通道的亮度串色，后者是为了均衡色度信号因频率受限而在时间上产生的延迟。通过陷波器和延迟线的Y信号，再经放大、钳位等处理电路，

4、并混入复合消隐信号（BL）和复合同步信号（S）后，便形成黑白全电视信号（VBS）。色度通道里，（RY）、（BY）先经带宽（1.3MHz）限制，并压缩为V、U信号，再由钳位电路钳定零电平，然后进入平衡调幅器，变成红色度信号和蓝色度信号，两者相加并经低通或者带通滤除调制中产生的谐波之后，形成色度信号F。色度信号F、色同步信号Fb、亮度信号Y与消隐信号BL、同步信号S经混合后输出彩色全电视信号FBAS。PAL制编码方框图：MATLAB编码仿真的编码电路：一、兼容制传送方式1、要实现彩色与黑白电视兼容，彩色电视要满足以下基本条件：（1）彩色电视信号必须包含一个亮度信号，即黑白全电视信号； （2）必须包

5、含彩色信号，它仅代表色度，可与亮度信号迭加在一起传送。在接收端又可以被分开，同时二者互不干扰。（3）彩色电视必须与黑白电视具有相同的基本参量。如扫描频率、方式、带宽、同步信号组成、图像载频、伴音载频及图像、音的调制方式。2. 高频混合原理。谓高频混合原理，是指在彩色电视的传输中，利用人眼对彩色细节分辨力低于对亮度细节分辨力的特性， 将色差信号采用4 窄带传送，而亮度信号采用宽带传送。在接收端，基色信号也只恢复规定带宽以下的低频分量。反映在画面上，是重现彩色图像的粗线条，即大面积的色调，而图像的细节，即高频成份则由同一亮度信号的高频分量代替，这就是高频混合原理。3.频谱交错原理 色差信号的频带虽

6、经压缩， 但由于彩色电视信号中的亮度信 号频谱已占用 6MHZ 带宽，因而只有设法将色度信号的频谱插到 亮度信号频谱的间隙，使色度信号不占有额外的频带，才能做到 彩色电视信号只占 6MHZ 的频带范围，从而满足与黑白电视兼容 的条件。 二、亮度与色差信号为了实现兼容，彩色电视广播必须传送一个亮度信号。由于彩色摄像机产生的是R、G、B三基色。根据三基色与三要素的关系可知，混合光的亮度为三基色光的亮度之和。又根据人眼相对视敏度特性可知，红、绿、蓝三基色信号中的亮度成分又是不一样的，视敏度高的基色（如绿色）含有的亮度成分多一些。红基色信号（R）、绿基色信号（G）、蓝基色信号（B）可按这个比例混合，可

7、获得一个亮度信号（Y），即亮度方程式为：Y=0.30R 0.59G+ 0.11B1、亮度信号产生：R、G、B、Y：2、色差信号（R-Y）、（B-Y）的产生：R-Y、B-Y：三、色度信号与色同步信号色差信号的频带虽经压缩，但由于彩色电视信号中的亮度信号频谱已占用6MHZ带宽，因而只有设法将色度信号的频谱插到亮度信号频谱的间隙，使色度信号不占有额外的频带，才能做到彩色电视信号只占6MHZ的频带范围，从而满足与黑白电视兼容的条件。色度信号不能直接简单与亮度信号叠加，因为这样做的话色度信号的频谱将与亮度信号频谱重合，产生严重的干扰。可采用的方法是，选择一个合适的载频，通常称为副载波，以fsc表示。亮度

8、信号频谱与色度信号的频谱是互相交错的，如下图所示：采用正交平衡调幅制处理色差信号的过程相关电路图如下：压缩后的色差信号分别为：U=0.493（B-Y）V=0.877(R-Y)色度信号Fv和Fu的形成：Fu=UsinSCtFv=VcosSCt这两个平衡调幅信号频率相等,相差90°,保持着正交关系,将二者相加便得到正交平衡调幅的色度信号：F=UsinSCt+VcosSCtF常被称为已调色差信号或色度信号，压缩后的色差信号V与+K脉冲混合后与+cossct副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Fbu分量；色差信号U与-K脉冲混合后，对sinsct平衡调

9、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，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+cossct，需设置90°移相、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。运用MATLAB仿真得到V和U再进行平衡条幅波形如图所示：从上到下依次为U Fu V Fv四、色同步信号Fb的形成由于PAL制中对V色度分量即FV进行了逐行倒相, 所以在接收端还要使逐行倒相复原。因此, 要由色同步信号提供一个识别信号, 用它来保证收、发两端的逐行倒相开关(PAL开关)步调一致, 即同步。 色同步信号是由

10、8-12个副载波周期组成的一小串副载波群，其出现周期与行周期相同，且位于行消隐的后肩上，电路如下图：色同步信号前沿滞后行同步脉冲前沿5.6us，色同步信号的幅度与行同步脉冲幅度相等五、全电视信号FNAS的形成色度信号F、色同步信号Fb、亮度信号Y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。此FBAS信号是色差信号进行幅度压缩形成U、V色差信号后, 由已调的红、蓝两个色度分量叠加形成色度信号, 再与亮度、 同步、消隐等其它信号混合而成。MATLAB仿真FBAS电路和FBAS波形和各分信号波形如图所示：图中从上到下一次是：FBAS F+Fb Y+A+S F Fb彩色图像信号包括

11、亮度信号与色度信号。从频域来看, 亮度信号与色度信号频谱交错 从时域来看, 色度信号叠加在亮度信号电平上, 它们叠加后的信号波形如图图1-18所示。它们与扫描所需的同步信号、 色同步信号以及消隐信号合成了彩色全电视信号(即FBAS), 再去调制图像载波。 我国彩色电视标准中规定, 采用负极性调制。 负极性亮度信号仍以扫描同步电平最高为100%, 黑电平为76%, 白电平最低为20%, 以便于增大色度信号不失真的动态范围编码过程中的各信号的频谱分析所谓频谱，就是电信号的能量按频率分布的曲线。全电视信号的频谱，应是它所包含的主体信号与辅助信号的频谱之和。编码频谱分析就是对MATLAB仿真电路中的R

12、信号、G信号、B信号、亮度信号Y和消隐信号A、色度信号、色同步信号F、同步信号S和FBAS信号的各个频谱进行分析的过程。MATLAB编码频谱分析仿真电路如图所示：1、亮度信号Y的频谱分析亮度信号Y的频谱分析图如下图所示：由图可看出亮度信号是含有直流成分，亮度信号的主要参数有相对幅度、 饱和度和频带宽度，亮度信号与色差信号频谱波形相似, 只是幅值不同而已。放大后可以看到它的主谱线和副谱线。2、色差信号R-Y和B-Y的频谱分析 （1）色差信号R-Y的频谱分析图如图所示：由图可看出色差信号是交流信号（2）色差信号B-Y的频谱分析图如图所示：由图可看出色差信号是不含有直流成分，是交流信号，奇对称。在不

13、计较显像管失真及传输系统非线性失真的情况下还可以证明色差信号受到干扰时，将不影响亮度信号，也不反映到图像的亮度上。3、色度信号F、Fu和Fv的频谱分析（1）色度信号F的频谱分析图如图所示：（2）色度信号Fv的频谱分析图如图所示：由图可看出色度信号是不含有直流成分的，色度信号的主要参数有相对幅度、 饱和度和频带宽度，色度信号的频谱图, 代表各彩条的色度信号的振幅和相位, 不同色调的矢量处在平面不同位置上，虽然被传送的彩色都是100%饱和度, 但色度信号的长度不尽相同，只有互补的两个彩色矢量长度是相同的, 因为互补的二色相加应为白色, 即此二色的色度信号矢量之和应为零。色调相同而饱和度不同的彩色,

14、 其色度信号的初相角不变。4、全电视信号FBAS的频谱分析全电视信号FBAS的频谱分析图如图所示：从图中可以看出基波频率为15625行频，它是视频单极性信号, 既有直流成分, 又含有交流成分, 且是上下不对称的信号, 占有06MHz的频带宽度。对静止的图像而言, 其电视信号以帧为周期重复, 其场间、行间相关性也较大 对活动图像而言, 则可说是帧间、 行间相关性较大的非周期信号, 但其同步与消隐信号仍是周期性的。解码及其频谱分析PAL制解码器及解码过程：把彩色全电视信号还原成三基色电信号的过程称为解码，解码是编码的逆过程。它将色度信号分离为FU和±FV 两个色度分离。PAL制解码器框图

15、及各波形：MATLAB仿真的解码电路如图所示：具体解码过程分析如下： 一、 （Y+A+S）与（F+Fb）的分离从预视放输出的彩色全电视信号FBAS，经过4.43MHz陷波器和色度带通滤波器进行频率分离，将FBAS分离成亮度信号色度信号两部分。 （1）、用频率分离的方法将FBAS分离为亮度信号、 复合同步信号（Y）与高端的色度信号(A)、 色同步信号（S）。 在亮度通道中，经4.43MHz的陷波器，将彩色全电视信号中的色度信号滤除，保留亮度信号。滤除了色度信号后的亮度信号Y，经0.6秒的延迟电路延时后再送入Y信号放大器进行亮度放大，后送基色矩阵电路。如图： 仿真电路如图：（2）、用时间

16、分离的方法, 将色度信号F和色同步信号Fb分开，在色度通道前，设置有一中心频率为4.43MHz，带宽约为2.6MHz的带通滤波器，它从全电视信号中分离出色度信号。用一个带通滤波器, 其通频带的中心频率也为色副载波, 并具有色度信号占有的带宽, 从彩色全电视信号中选出色度信号。用MATLAB连接仿真电路及波形分别如图所示：FBAS F+Fb Y+A+S F Fb 频域相同但时域错开的色度与色同步信号，经色同步选通电路，将色同步信号与色度信号分开。由于色度信号在行扫描正程出现，色同步信号在行逆程出现，故只要用两个门电路，就可将二者按时间分离法进行分离。这两个门电路在控制脉冲控制下交替导通即可实现两

17、种信号的分离二、 梳状滤波器分离色度信号原理       梳状滤波器的任务是将色度信号中的两个分量FU与±FV分离。由此可以有效地分离开两个色差分量FU和±FV。如图：PAL制的特殊电路是梳妆滤波器，由它完成奖色度信号中的两个分量Fu与+Fv分离。这样可有效地消除简单解码电路中未能解决的亮、色串扰。仿真电路如图：三、用频率和相位双重分离的方法, 将色度信号中的两个正交分量U、 V信号分开为了使梳状滤波器能有效地分离两个色度分量，延时线的延迟时间要有准确的数值，即延时后色度信号的副载波相位要与延时前相同或相反（相位差

18、为0°或180°），以实现相邻两行色度信号相减或相加时能分别输出两色度分量之一。色度信号经延时解调器, 也称梳状滤波器分离出两个色度分量Fu和±Fv由于利用超声玻璃延时线, 来实现红、 蓝两色度分量的分离, 因此, 称作延时解调器。 又由于延时解调器的幅频特性是梳状的, 故又称作梳状滤波器,方框图分别如下: 设第n行的色度信号为Fn=U sinSCt+V cosSCt 上一行的色度信号应为F n-1=Usin SCt-V cosSCt 这样, F n-1信号经过延时线延时63.943s (约邮4s)再反相后, 则-Fn-1=-U sin SCt+V cosSCt

19、经相减或相加可得Fn -(-F n-1)=2UsinSCt=2FU Fn+(-F n-1)=2VcosSCt=2FV 同理: Fn+1-(-Fn)=2U sinSCt=2FU Fn-1 +(-Fn)=-2VcosSCt=-2FV用MATLAB仿真原理电路说明和U和V信号分离前后的波形分别：U Fu V Fv四、 色差信号的同步解调        梳状滤波器输出的±FV信号经V同步解调器，输出V信号；梳状滤波器输出的FU信号经U同步解调器，输出U信号。解调器输入、输出波形如图所示： 仿真电路如图：五、由Y,U,V,通过解码矩阵

20、电路得到R,G,B亮度通道输出的Y信号和色度通道输出的U、V信号同时输入基色矩阵电路，经基色矩阵电路分解，输出R、G、B三基色信号。其输入、输出波形如：用MATLAB仿真R、B和G波形如图所示：色同步信号与副载波压控振荡器输出的信号同时送鉴相电路,二者进行相位比较后,输出一个与之相差成正比的直流控制电压,由它再去控制压控振荡器,使其输出副载波频率和相位与发射端相同。 所恢复的副载波，一路直接送U平衡解调器，另一路先经PAL开关逐行导向后，再经90°移向送V平衡解调器。半行频的7.8kHz开关信号亦由鉴相电路取得，经PAL识别电路后去控制PAL开关。色同步信号同时还要送ACC（自动色饱

21、和度控制）、ACK（自动消色）、ARC（自动清晰度控制）等。解码频谱分析解码频谱分析就是对MATLAB解码仿真电路中的FBAS信号、亮度信号Y、色度信号F、Fu和Fv、色度信号F和色同步信号Fb、（色度信号）F+Fb（色同步信号）+Y（亮度信号）、色度信号和色同步信号（S）、Fu和Fv信号、U和V信号和RGB三基色信号的频谱进行分析的过程。MATLAB编码频谱分析仿真电路如图所示： 解码频谱分析图1、FBAS全电视信号的频谱分析FBAS全电视信号的频谱分析如图所示： FBAS信号的频谱分析图由图可看出FBAS是交流信号，放大后可以看到它的主谱线和副谱线。色度信号的载频就是副载频f SC, 每当

22、色度信号变化一周, 相当于屏幕上显示出一亮点与一暗点, 这样, 每扫描一行将出现200多个亮点, 又因一行中所包含的副载波周期并不是整数, 相邻行光栅上出现的干扰亮点并不是排列整齐的。2、亮度信号Y的频谱分析 亮度信号的频谱分析图由图可看出亮度信号Y含有直流成分。亮度信号与色度信号错开fH, 两色度信号间错开 。 3、色度信号F、Fu和Fv的频谱分析（1）色度信号F的频谱分析图如图所示： 色度信号F的频谱分析（2）色度信号Fv的频谱分析图如图所示由图可以看出色度信号是交流信号，每隔一个行频有一个最大传输点；每两个最大传输点是中心是吸收点，两个吸收点的间距也是一个行频。这样的两个输出对应的最大传

23、输点与吸收点互相交错，并分别对准Fu和±Fv的主谱线。 在最大传输点对准Fu主谱线的特性时，其吸收点也正好对准±Fv的主谱线；又由于±Fv系逐行倒相的，才使两个色度分量的主谱线正好错开半行。4、U和V信号频谱分析U和V信号频谱分析如图所示： U信号的频谱 V信号的频谱从图中可以看出U、V信号不含直流成分。U、V和Y信号都是时间的函数, 因电视扫描是周期性的, 这使得它们的频谱是由以行频fH为间距的一束束谱线所组成, V、U和Y的频谱图如图。由于主谱线两边的帧频谐波边带相对于行频实际上是很窄的, 且其幅度相对于主谱线幅度也很小, 衰减也很快, 所以图中只画出了它们的主谱线。5、色差信号R-Y、B-Y的频谱分析色差信号R-Y、B-Y的频谱分析如图所示：从图中可以看出色差信号不含直流成分。6、R、G和B三基色信号频谱分析RGB频谱分析如图所示： R信号的频谱G信号的频谱B信号的频谱从图可以看出RGB含有直流成分。微分相位失真只与亮度电平有关, 相邻两行上相邻像素的亮度总是差不多的。至此解码及其频谱分析结束。小结PAL制的特点  (1) 克服了NTSC制相位敏感的缺点。PAL制使彩色相序逐行改变，使串色极性逐行取反，