彩色电视制式与彩色电视信号

1、第2章 彩色电视制式与 彩色电视信号2.1 兼容制传送方式2.2 亮度信号与色差信号2.3 色度信号与色同步信号2.4 NTSC制色差信号及编、解码过程2.5 PAL制及其编、解码过程2.6 SECAM制及其编、解码过程2.1 兼容制传送方式 所谓兼容，是指彩色电视信号能为黑白电视机所能正常接收。 所谓彩色电视制式，是指彩色电视传送的亮度信号Y和色度信号F，这两种信息的三基色信号在处理和传送过程中的方式。 2.1.1 兼容的必备条件 彩色电视应满足以下基本条件: (1)所传送的电视信号中应有亮度信号和色度信号两部分。 (2)彩色电视信号通道的频率特性应与黑白电视通道频率特性基本一致,而且应该有

2、相同的频带宽度、图像载频和伴音载频。 (3)彩色电视与黑白电视应有相同的扫描方式及扫描频率,有相同的辅助信号及参数。 (4)应尽可能地减小黑白电视机收看彩色节目时的彩色干扰,以及彩色电视本身中色度信号对亮度信号的干扰。 2.1.2 大面积着色和混合高频原理 由于人眼只能辨别细节的明暗差异， 而不大能区别其颜色差异，只有画面较大面积的彩色才能加以区别。根据这一特点，在彩色电视图像传送时，只传送其亮度细节，而不必传送彩色细节，这种原理称为大面积着色原理。把三个基色中的图像信号的高频分量，用一个只代表亮度的信号来传送，又称为“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

3、每增加80线,相当于视频带宽增加1MHz。亮度信号带宽为6MHz。用亮度信号带宽的20%（ 1.3MHz 带宽）传送色度信号。 Affsc60 2.1.3 频谱交错原理 频谱交错是利用亮度信号频谱间隙，插入已调副载波的频谱，使亮度信号频谱与已调副载波频谱互相错开达到频带共用的目的。 图21 亮度与色度信号的频谱交错 2.2 亮度信号与色差信号 2.2.1 亮度信号、色差信号与R、G、B的关系 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)的情况下,可以容易地按照下述步骤求得(G-Y)。由 Y=0.3Y+0.59Y+0.11Y (23) Y=0.3R+0.59G+0.11B (24) 用式(24)减去式(23),得 0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y)=0 则(25) 接收端由矩阵电路把收到的(R-Y)和(B-Y),按式(25)恢复出(G-Y),然后再以基色矩阵恢复电路使之分别与Y信号相加,从而恢复出三基色。即： ( R-Y)+Y=R (26a) ( B-Y)+Y=B (26b) ( G-Y)+Y=G (26c) 在传送

5、黑白电视信号时, 色度信号为零,即色差信号( R-Y)=0， ( B-Y)=0， ( G-Y)=0， R、G、B应相等，都为亮度信号。 即：Y=R=G=B 在传送彩色图像时，比如传送黄色,则可知R=G=1,B=0,其亮度信号和色差信号分别为: 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 可见(R-Y) 、(G-Y) 、(B-Y)均不为零。 2.2.2 标准彩条亮度及色差信号波形 标准彩条信号是由彩条信号发生器产生的一种测试信号。在分析和研究彩色电视波形时，大都采用标准彩条信号。

6、彩条信号幅度和饱和度的计算： 饱和度%幅度%= (29) (210) 式中,Emax和Emin分别对应彩条R、G、B的最大值和最小值;EW为白条所对应的R、G、B的幅度。0.3775%幅度、100%饱和度彩条信号波形图100%幅度、100%饱和度彩条信号波形图彩条的亮度和色差信号波形 图22 彩条信号 (a)彩条图像; (b)三基色电压; (c)亮度信号; (d)色差信号70.37三个色差信号的波形图有何特点？2.3 色度信号与色同步信号 2.3.1 色度信号的形成 色差信号有两个，在NTSC制和PAL制中,均是选用一个具有相同频率不同相位的副载波，进行调制。它是将正交调幅与平衡调幅结合起来,

7、将两个色差信号分别对正交的两个副载波进行平衡调幅,由此得到已调信号,称其为色度信号。 1.平衡调幅 所谓平衡调幅,是将调制信号与载波信号相乘所得到的已调波信号。是抑制载波的一种调制方式。它与普通调幅不同之处在于,平衡调幅不输出载波。 设: 调制信号为u=Ucost； 载波信号为us = Uscosst, 则： 调幅后形成的一般调幅波为：(211) 上式说明,普通调幅波的频谱是由载频s和两个边频(s+)、(s-)三个分量组成的,如图24(a)所示。 cost图24 (a)普通调幅波频谱 而平衡调幅抑制了载波分量,使得调幅波中没有Uscosst一项,因而其表达式变为：(212) 图24 (b)平衡

8、调幅调幅波频谱 cost- 图25 调幅波波形 (a)调制信号(b)载波 (c)AM波 (d)平衡调幅波 平衡调幅波的特点是: (1)平衡调幅波的幅度与调制信号幅度的绝对值成正比。 (2)调幅信号为正值时,平衡调幅波与载波同相;调制信号电压为负值时,平衡调幅波与载波反相。 2. 正交调幅 将两个调制信号以调幅方式分别调制在频率相等、相位相差90的两个载波上,然后再将这两个调幅信号进行矢量相加,从而得到的调幅信号称为正交调幅信号,这一调制方式称正交调幅。 3.色度信号的形成 在将两个色差信号分别对两个正交的副载波进行平衡调幅之前,先对其进行适当的幅度压缩,这是不失真传输所需要的。压缩后的色差信号

9、分别用U和V表示,它们与压缩前的色差信号(R-Y)和(B-Y)的关系是：U=0.493(B-Y) (213) V=0.877(R-Y) (214) 式中,0.493和0.877称为色差信号的压缩系数。压缩后的色差信号分别对两个正交副载波sinSCt和cosSCt进行平衡调幅,从而得到两个平衡调幅信号 FU=UsinSCt (215) FV=VcosSCt (216) 这两个平衡调幅信号频率相等,相位相差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+VcosSCt (217) F被称为已调色度信号。用矢量表示,称彩色矢量,如下图所示。 可见,色度信号的振幅和相

10、角分别为：(218) (219) 图26 彩色矢量图 图27 正交平衡调幅色度信号形成方框图Fu、Fv送合成器进行相加正交平衡调幅色度信号形成框图 2.3.2 同步检波原理 正交平衡调幅信号只能用同步检波解调。 sinSCtFU=UsinSCtUusFUUttt 同步检波解调,还可由数学分析加以证明: 对于U同步检波,色度信号F与sinSCt相乘: (220) 式中，1/2U是解调出的B-Y色差信号，其余两项为副载波的谐波成分。U的幅频特性曲线：Uf（2 SC ） 8.86MHZ 图28 同步检波原理方框图同步检波原理框图4.43MHZ 2.3.3色同步信号 要实现同步解调必须在彩色电视机中设

11、置一个副载波产生电路。并且要与已调色差信号的副载波同频同相。因此，在发端的信号里，需要一个色同步信号。 色同步信号的幅度与同步脉冲幅度相等,若以h表示同步脉冲幅度,Fb表示色同步信号,则 色同步信号与彩色电视信号一起传送到接收端,彩色电视机将其从彩色全电视信号中分离出来,由此去控制接收机的副载波发生器,使之产生与发送端副载波同频、同相的恢复副载波。 (221) 图210 色同步信号 10个波 2.3.4 彩条对应的信号波形及矢量图 图211 100%幅度彩条波形图 (a)Y+Fb+s信号; (b)色度信号F; 图211 100%幅度彩条波形图 (c)Y+F+Fb+s信号10.33 设(B-Y)

12、和(R-Y)压缩系数分别为x1和 x2，以黄、青为例，则压缩后黄、青视频信号幅度应满足下式关系，即Y+Fm=1.33。将黄彩条数据代入式(222)得：将青彩条数据代入式(222)得： 由式(223)和式(224)联立求解,可得： x1=0.493 x2=0.877 （2 22）（2 23）（2 24）R图212 压缩后的彩条信号波形 （数据如P48表24所示）。 压缩后的彩条信号波形图图213 彩条色度信号矢量图 （彩色钟）2.4 NTSC制色差信号及编、解码过程 2.4.1 I、Q色差信号 由于人眼对红、黄之间颜色的分辨力最强;而对蓝、紫之间颜色的分辨力最弱，NTSC制在色度矢量图中，以I轴

13、表示人眼最为敏感的色轴，以与之垂直的Q轴表示人眼最不敏感的色轴。 I、Q正交轴与V、U正交轴有33夹角的关系。通过几何关系得出: 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) 结合式(22)： R-Y=0.7R-0.59G-0.11B B-Y=-0.3R-0.59G+0.89B 可求出I 、Q与三基色R、G、B的关系为: Q=0.21R-0.52G+0.31B (227) I = 0.60R-0.28G-0.32B (228) 2.4.2 NTSC制

14、编、解码方框图 在编码器中,R、G、B矩阵电路按亮度方程Y和色差信号公式对R、G、B信号进行线性组合,产生I、Q和Y信号。 副载波形成电路分别输出相位为33、123、180的三个副载波,供Q调制器、I调制器和色同步平衡调制器之用。 在解码器中，先进行同步检波，再由矩阵电路变换成重现图像所需的RGB信号。 为什么要有一个1800的副载波？（行同步头延迟） 2.4.3 NTSC制的主要参数及性能 1.主要参数： 对于NTSCM制: 场频fV=60Hz； 行频fH=525fV/2=15.750kHz； 每帧525行； 图像信号标称带宽为4.2MHz； 伴音与图像载频之差为4.5MHz； 彩色副载波频

15、率fSC=3.58MHz。 图217 NTSC制彩色全电视信号频谱彩色全电视信号频谱图： 2. 主要性能 (1)现有的三种兼容制彩色电视制式中,NTSC制色度信号组成方式最为简单,因而解码电路也最为简单,易于集成化,特别是,在许多场合需要对电视信号进行各种处理,因而NTSC制在实现各种处理也就简单。 (2)NTSC制中采用1/2行间置,使亮度信号与色度信号频谱以最大间距错开,亮度串色影响因之减小,故兼容性好。 (3)NTSC制色度信号每行都以同一方式传送,与PAL制和SECAM制相比,不存在影响图像质量的行顺序效应(爬行“百叶窗”)。 (4)采用NTSC制一个最严重的问题,就是存在着相位敏感性

16、,即存在着色度信号的相位失真对重现彩色图像的色调的影响。2.5 PAL制及其编、解码过程 NTSC制的主要缺点，就是对相位失真较为敏感，为了克服这一问题，改进并发展了PAL制。 PAL制是在色度信号采用正交平衡调幅的基础上,使其中一个色度分量(FV分量)逐行倒相。 2 .5.1 相位失真的概念及影响 彩色电视机不可能完全正确地重现原景物的亮度、饱和度和色调,因而存在着失真。人眼对色调的失真较为敏感。 2.5.2 PAL制色度信号 PAL制获得色度信号的方法,也是先将三基色信号R、G、B变换为一个亮度信号和两个色差信号,然后再用正交平衡调幅的方法把色度信号安插到亮度信号的间隙之中。 PAL色度信

17、号的数学表达式为: F=FUFV=UsinSCtVcosSCt =Fmsin(SCt ) (229)图218 隔行扫描逐行倒相的正负号改变规律 (a)奇数帧; (b)偶数帧图218 隔行扫描逐行倒相的正负号改变规律 (a)奇数帧; (b)偶数帧 图219 逐行倒相色度信号矢量图(a)任一色调的色度信号; (b)彩条矢量逐行倒相情况 图220 逐行倒相实现框图 cosSCtsinSCt副载波发生器 图221 逐行倒相波形关系(a)半行频方波; (b)90移相后的副载波 (c)逐行倒相输出副载波 图222 PAL色度信号频谱(a)FU分量频谱; (b)FV分量频谱; (c)色度信号F的频谱 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, 如彩色矢量图所示。 图223 PAL制克服相位敏感原理(a)相位无失真情况; (b)相位失真情况 2.5.4 PAL制副载波的选择 在彩色广播电视系统中,亮度信号和色度信号必须共同占用与黑白电视信号相同的信号带宽。副载波的选择原则应使亮度信号与色度信号频谱的主谱线彼此错开，另外，频率尽量选择在视频带宽的高端。 PAL制采用1/4行间制。1/2行间制1/2行间置时的频谱结构1/4行间置时的频谱结构1/4行间制 令亮度信号Y的主谱线nfH位于fsc与(fsc+fH/2)之间，这样就使亮度信号Y和两个色度信号分量的频谱相互错

19、开,那么nfH应满足下述关系:从而求出: 对于行频为15625Hz,场频为50Hz,标称视频带宽为6MHz的系统,根据选择fSC尽量高的原则,取式(232)中n=284,这样可以求得副载波频率为283.75fH。实际的PAL制电视彩色副载波为： （232） fsc fH /4 fSC +fH/2Y 图225 PAL亮、色副谱线的相互关系(a)fSC=283.75fH时的谱线关系; (b)增加25Hz后的改善情况V 2.5.5 PAL制色同步信号 PAL制彩色电视接收机在解调色度信号时,需要对PAL行送-cosSCt副载波,对NTSC行送+cosSCt副载波。要做到这一点,需要有一个识别PAL行

20、与NTSC行的识别信号,即需要在发送端提供一个附加信号色同步信号。 图226 PAL制色同步信号 图227 PAL制色同步信号形成方框图 将K脉冲（频率=行频，宽度为2.25uS）以一定极性分别加入两个色差信号中时，通过正交平衡调制和混合电路后，在形成色度信号的同时也形成了相位逐行倒相的色同步信号。图228 PAL色同步信号矢量图 2.5.6 PAL制编、解码过程 1. PAL制编码器及编码过程 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。PAL制编码器的方框图如图229所示。图229 PAL制编码器方框图 (1)将经过校正的R、G、B三

21、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。 (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。 (4)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。 2. PAL制解码器及解码过程 PAL-D制解码器： 是采用超声波延迟线构成梳状滤波器，将色度信号分离为FU、和FV两个色度分量； 然后分别送U、V同步解调器，解调出U、V色差信号，再通过矩阵电路，得到G-Y信号； 亮度通道输出的Y信号和三个色差信号同时输入基色矩阵恢复电路，输出R、G、B三基色信号。 色同步信号控制副载波的频率和相位以及PAL开关、ACC、ACK、ARC等。图230 PALD解码器及各点波形 图232梳状滤波器方框图及分离色度信号原理(a)梳状滤波器方框图及分离的波形、频谱;(b)梳