电视技术概论-03彩色电视的基本原理

第3章彩色电视的基本原理3.1色度学的基本知识3.2彩色图像的分解与重现3.3黑白、彩色电视兼容的可能性3.4PAL制彩色全电视信号3.5彩色电视机概述3.1色度学的基本知识图3-1电磁波的波谱3.1.2彩色的三要素任意一种彩色光，均可用亮度、色调和色饱和度来表示，它们又称作彩色三要素。亮度是指彩色光对人眼所引起的明亮程度。当光波的能量增强时，亮度就增加；反之亦然。此外，亮度还与人眼的光谱响应特性有关，不同的彩色光，即使强度相同，当照射同一物体时也会产生不同的亮度。人眼对λ＝550nm的光波，亮度感觉最灵敏。色调是指光的颜色。红、橙、黄、绿、青、蓝、紫分别表示不同的色调。它是彩色最基本的特性。色饱和度是指彩色的纯度，即颜色掺入白光的程度或指颜色的深浅程度。白光越多色饱和度越低，白光越少色饱和度越高。白光为零，色饱和度为100%；只有白光，色饱和度为零。通常把色调与色饱和度通称为色度。3.1.3三基色原理与混色法图3-2混色图(a)相加混色图；(b)彩色三角形从图3-2(a)得知:红光＋绿光＋蓝光＝白光红光＋绿光＝黄光绿光＋蓝光＝青光红光＋蓝光＝紫光从配色实验证明，配出标准E白光所需R、G、B三基色光通量之比为1∶4.5907∶0.0601，因此规定：光通量为1LTW的红光，4.5907LTW的绿光及0.0601LTW的蓝光各作为一个基色单位，分别用［R］、［G］、［B］表示。正好配出1份E白光，其光通量为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。任意一种彩色光的配色方程可写为

FL=R［R］+G［G］+B［B］其中，R、G、B表示三基色的三色系数，它们的比值决定了待配彩色的色调。三基色各分量的光通量之代数和等于该彩色光的光通量。例如：R=G=1，B=0.5，则据式(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，该彩色光FL为0.5份E白光与0.5份黄光即呈现淡黄色，白光与色光相等，饱和度为50%，其光通量为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数和。3.1.4亮度方程显像三基色要混合成白光，所需光通量之比是由所选用的标准白光和所选三基色的不同而决定的。目前彩色电视中，NTSC制显像三基色荧光粉配制光通量为1lm(流明)C白光的方程式为：

Y=0.299R+0.587G+0.114B由于彩色电视制式不同，所规定的标准白光和选择的显像三基色荧光粉也不一样。PAL制的亮度方程为Y=0.222R+0.707G+0.071B但因NTSC制使用较早，所以PAL制中没有采用它本身的亮度方程，而是沿用了NTSC制的亮度方程。实践表明，由此引起的图像亮度误差很小，完全能满足视觉对亮度误差的要求。亮度方程通常近似写成：Y=0.30R+0.59G+0.11B

（3-2）在亮度方程中，R、G、B前面的系数0.30、0.59、0.11分别代表R、G、B三种基色对亮度所起的作用，称为可见度系数。例如，在一个单位亮度的白光当中，红基色对白光亮度的贡献为30%，绿基色对白光亮度的作用为59%，蓝基色对白光亮度的贡献为11%。当R=G=B=1时，为白光；当R、G、B取不同的值，可以配出各种不同的颜色，以及饱和度不同但色调不变的颜色。在彩色电视信号传输过程中，亮度信号和三基色信号以电压的形式来代表，亮度方程可改写成电压的形式，即

EY＝0.30ER+0.59EG+0.11EB这里，EY、ER、EG、EB各代表亮度信号、红信号、绿信号和蓝信号的电压且分别独立，已知任意三种，可通过加、减法矩阵电路来合成第四种。在后述的讨论中，为了书写方便，仍把以上四种信号电压EY、ER、EG、EB分别以Y、R、G、B来表示。3.2彩色图像的分解与重现3.2.1彩色图像的分解3.2.2彩色图像的重现如图3-3(a)所示。在接收端，见图3-3(b)，经过传输通道，图像信号又被解码器分解为三个基色信号去控制彩色显像管的三个电子束。图3-3彩色电视传送的基本过程3.3黑白、彩色电视兼容的可能性3.3.1色度信号的编码传输1.色度信号的编码重要条件之一就是要求彩色全电视信号和黑白电视信号都同样占有6MHz的带宽。这就是说，对彩色电视来说，一般不直接传送三个基色信号。因为单从占用频带来看，为了保证图像清晰度，每一基色信号带宽应与黑白图像信号相同，则三个基色所占频带总和为18MHz，因此，为了达到兼容目的，彩色电视中最好直接含有仅代表亮度信息而不含色度信息的亮度信号，然后再选择两种基色信号。对于彩色电视机而言，可将亮度信号与被选的两种基色信号组合获得三基色信号送至彩色显像管。例如，选用Y、R、B三种信号，G是可以通过亮度方程和已知二基色信号的值解得的。但这样做有个很大的缺点，即亮度信号Y已经代表了被传送彩色光的全部亮度，而R、B本身也含有亮度，这显然是多余的，且在传输过程中易干扰Y信号。为了克服这一缺点，一般不选基色本身作为色度信号，而是对基色信号进行编码，而从基色信号中减去亮度信号，编码后的信号称为色差信号。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信号数值较小，对改善信杂比不利，G-Y又可由R-Y和B-Y通过简单的电阻矩阵合成，所以通常只传送Y，R－Y和B-Y这三种信号，而不传送G-Y信号。其中，Y仅代表亮度信息，R-Y，B-Y代表色度信息。显然，这给兼容电视提供了方便与可能。2.传送色差信号的优点(1)兼容效果好当选用Y、R-Y、B-Y三种信号时，Y仅代表被传送景物的亮度，而不含色度。而且，当所传送的图像为黑白图片时，色差信号均为零，因为任何黑白图片仅有亮度明暗的层次变化，因此它们的三基色信号总是相等的。例如，传送一灰色时，其三基色信号为R=G=B=0.4V，它们合成的亮度信号Y=0.4V，所以色差信号R-Y,B-Y也为零。因此，色差信号只表示色度而不表示亮度。而且三色差信号对亮度的贡献为零。0=0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y)

(2)能够实现恒定亮度原理所谓恒定亮度原理是指：被摄景物的亮度，在传输系统是线性的前提下均应保持恒定，即与色差信号失真与否无关，只与亮度信号本身的大小有关。假设某一时刻为一种偏紫的红色，其三基色信号为R=0.7V，G=0.4V，B=0.5V，由式(3-2)，合成的Y=0.5，根据色差定义，可用矩阵电路合成得到红色差信号和蓝色差信号为R-Y=0.7-0.5=0.2VB-Y=0.5-0.5=0V如果我们选用Y、R-Y、B-Y三种独立信号代表彩色信息，并将它们送至接收端，再利用矩阵电路同样可以将以上三信号相加获得R、B基色信号为0.7V、0.5V，同时，也可按式(3-6)合成绿色差信号：G-Y=-0.51(R-Y)-0.19(B-Y)=-0.11V然后再与亮度信号Y相加得到绿基色信号为0.39V，所恢复的三基色信号重现的亮度仍是0.5V。在传输过程中，假若Y信号无失真仍为0.5，而色差信号受干扰，R-Y由0.2V变为0.3V，B-Y由0V变为0.2V，则它们合成的G-Y=0.51×0.3-0.19×0.2=-0.191V，在接收端已失真的色差信号与未失真的亮度信号合成后形成的三基色信号为：

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)有利于高频混合选用色差信号是有利于高频混合的。为了在接收端能够得到带宽为6MHz的三个基色信号，只要将窄带的色差信号混入一个6MHz全带宽的亮度信号就可以达到混合高频的目的。用亮度信号中的高频分量代替基色信号中未被传送的高频分量，可用公式表示如下：3.3.2频带压缩与频谱间置在我国彩电制式中，规定色度信号带宽压缩到1.3MHz。2.频谱间置(1)亮度信号的频谱分析图3-4简单图像信号波形和频谱如图3-4所示的图像信号就分别是按帧频fZ重复的周期方波，即场频脉冲或行频脉冲，其周期分别是TZ和TH，而这些方波又可以按傅里叶级数分别展开为：或(2)频谱间置图3-5亮度与色度信号频谱间置示意图3.彩色电视全射频电视信号的频域示意图图3-6彩电电视全射频电视信号频域图3.3.3NTSC制编码的调制与解调基本原理图3-7正交平衡调制原理(a)正交平衡振幅调制方框图；(b)色信号F的矢量图图3-7(b)画出了色度信号F的矢量图，图中，对角线的长度代表色度信号F的幅值，而φ是F的相角，Ｆ的矢量式为：式中：由于正交平衡调幅实际上是一个乘法器，对于单频正弦波的调幅信号sinΩt·cosω0t来说，根据三角函数:图3-8正弦波和矩形波对载波进行平衡调幅后的波形和频谱矩形波调制载波后的平衡调幅波的特点是：①平衡调幅波的振幅与载波信号振幅无关，而与调制信号振幅成正比；当调制信号为零时，平衡调幅波的幅度也为零。②因调制器实际是一个乘法器：因而当调制信号电压为正值时，平衡调幅波与载波同相；当调制信号电压为负值时，平衡调幅波与载波反相。当调制信号经过零点，(以周期调制信号为标准)平衡调幅波相位变化180°。从高频电子技术中得知，普通调幅波的特点是：①其振幅由载波信号振幅和调制信号振幅共同决定，当调制信号振幅为零时，普通调幅波的振幅等于载波振幅。②从频率上看，普通调幅波仍以载波周期为周期。③调幅波的包络随调制信号而变化，其包络代表原调制信号。图3-9正交解调原理方框图现以(B-Y)蓝色差解调为例，简要地分析一下解调过程。通过低通滤波器后，高频被旁通，从而获得(B-Y)/2蓝色差信号。3.3.4PAL制彩色电视编码与解码原理1.逐行倒相PAL制基本上采用了NTSC制的各项技术措施，并增加了一些技术措施来克服NTSC制中对相位失真较敏感的缺点。它是采用色差信号(R-Y)和(B-Y)作为色度信号的两个分量。两个色差信号均占用0～1.3MHz，且幅度按百分比进行压缩，即则当扫描顺序为第n行时，FV=VcosωSCt；当扫描顺序为n+1行时，FV=Vcos(ωSC+180°)t，即当第n行FV的相位为90°，则第n＋1行的为270°(或-90°)，第n＋2行的相位又回到90°如此反复进行，而矢量FU的相位是不随扫描行序改变的，因此，相加后色度信号的相位也是逐行改变的，其数学表达式为式中:图3-10逐行倒相矢量图与开关函数波形图(a)逐行倒相矢量图；(b)开关函数波形图图3-11PAL制编码的调制原理框图

2.PAL制编码的调制、解调原理(1)PAL制编码器(2)PAL制解码器图3-12逐行倒相正交同步解调原理3.PAL制频谱间置原理图3-13半行频间置的频谱和行频间置逐相倒相后仍用半行频间置的频谱；(b)PAL制的信号频谱采用1/4行频间置PAL制采用1/4行频间置，副载波频率为实际上，为了减小副载波对亮度信号的干扰，改善兼容性，PAL制副载频附加了25Hz，称为半场频间置，即选择4.PAL制梳状滤波器解码原理图3-14梳状滤波器的原理框图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。其解调分离原理如下：设第n行色度信号为由于V信号逐行倒相，所以第n-1行色度信号为这样，Fn-1信号经过延时器延时63.943μs(约延时64μs)再反相后正好和Fn同时到加法器和减法器中，经相加式相减可得:同理：5.超声玻璃延时线超声玻璃延时线的典型参数如下：延时时间：63.943μs±3ns；工作频率：4.43MHz±1MHz；插入损耗：-8±3dB；工作温度：-10～50℃；输入输出阻抗：390Ω；最大输入电压：6V。图3-15五次反射片状超声延时线的结构与符号(a)结构；(b)符号3.4PAL制彩色全电视信号3.4.1彩色图像信号分析1.三基色信号波形分析与参数(1)彩条图形图3-16(b)、(c)、(d)分别表示R、G、B三基色信号。图3-16三基色信号波形及其对应的彩条图形(2)参数介绍彩条信号的主要参数有相对幅度、饱和度和频带宽度。其相对幅度、饱和度的计算公式如下：2.标准彩条的亮度与色差信号波形由于电视台送出的彩色信号是两个色差信号和一个亮度信号，所以可根据以上标准彩条信号的规定，利用亮度方程算出各种规范彩条信号的Y，(R-Y)和(B-Y)。例如：在100/0/100/0彩条中，黄色彩条对应的数据R=G=1，B=0，算表3-1图3-17亮度与色差信号波形