电源-电子学电视原理

章彩第3章彩色电视信号的传章彩 彩色电视信号的彩色电视是在黑白电视的基础上发展起来的，彩色电视出现以前黑白电视已经相当普及，到目前为减少国家和千千万万电视用户不必要的损失，彩色电所谓兼容，就是黑白电 视信号，也能重现黑白电视信号；彩色电视 能接收黑白电视信号，也能重现黑白电视信号。章彩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时，只要将亮度信号取出，就可显示出黑白图像。彩色电视应具有亮度通道和色度通道，当接收彩色时，章彩 频带宽，这就要求彩色电视能将色度信号安插到6 章彩要做到兼容，必须对光电传感器输出的R、G、首先用一个编码矩阵电路根据Y=0.30R+0.59G+0.11B的亮度公式编出一个亮度信号和R-Y、B-Y两个色差信号。色差信号是基色信号R、G、B与亮度信号Y之差章彩(3-三个色差信号中只有两个是独立的，第三个可以由另外两个得到，只要选择两个色差信号就可以代表章彩0.30（R-Y）+0.59（G-Y）+0.11（B-

RY0.59(GY)0.11(BY GY0.3(RY)0.11(BY BY0.3(RY)0.11(GY

(3-章彩

R-Y和B-Y作为色差信号的原因

由R-Y和B-Y求G-Y时，系 小G-YB-Y1定要用放大器提供增益，这样会增加系统的复杂性和带章彩可减少色度信号对亮度信号的干扰,当传送黑白图像时,R=G=B,两个色差信号R-Y和B-Y可节省色度信号的。在彩像中大部分像素接近于白色或灰色，它们的色差信号为零，小部分彩色像素才有色差信号，因此发射色差信号比发射RGB信号需要的小。章彩人眼对彩色细节的分辨力比较差，在传送彩像时只要传送一幅粗线条大面积的彩像配上亮度大面积原理。亮度信号带宽为0～6MHz，色度信号带宽为0～1.3MHz。章彩在接收端为恢复重现图像所需的三基色信号，先按式（3-2）由R-Y和B-Y得到G-Y信号，再将三个色差为了得到带宽为0～6MHz度信号中的高频分量来代替基色信号中未被传送的高频分量，这就是所谓的高频混合原理。当色差信号的带宽为0～1.3MHz，亮度信号的带章彩G=(G-Y)0～1.3+Y0～6=G0～1.3+Y1.3～6B=(B-Y)0～1.3+Y0～6=B0～1.3+Y1.3～61.3～6MHz频率范围内只章彩彩色电视和黑白电视采用相同的带宽，用三基色信号形成亮度信号和两个色差信号后，都放在0～6在0～6MHz频带内先选择一个频率称为彩色副载波的信号称为色度信号。将得到的色度信号与亮度信彩色全电视信号图像载波二次调制射频信号章彩彩色副载波放在 MHz频带的高端以减少彩色干扰和亮度窜色，的频率有关，如果色度信号放在，干扰显示为粗花纹极其细密，不易察觉。亮度信号在高频端幅度很小，色度信号放在高端可以减少亮度信号对色度章彩因为相邻行图像信号相关性很强和采用周期性扫描，所以黑白电视信号(亮度信号)的频谱结构是线状0～6MHz的频带宽度，但并未占满整个6MHz中在行频fH及其谐波nfH附近很窄的范围内，随谐波次数的升高，能量逐渐下降。在(n-1/2)fH附近没有亮度章彩 3-1(a)以行频为间隔的谱线群(b)每一谱线章彩图3-1（b）是将nfH附近的一族谱线放大，可以看出在行频主谱线两侧有以帧频、场频为间隔的副谱线。当图像活动加快时，各副谱线之间的空隙被填满，但在(n-1/2)fH附近仍有较大的空隙，慢变化的图像频谱空隙达93%，较快变化的图像频谱空隙仍有46%，所以可以将色度信号的频谱插在亮度信号的频谱空隙中间，用一个6MHz信号和色度信号，这种方法称为频谱交错或频谱间章彩色差信号有与亮度信号相同的频谱结构，压缩后占据较窄的频带，如图3-2（a）所示。其表现也是以行频为间隔的谱线群结构。根据副载波平衡调幅形成的色度信号也发生了频谱迁移，各谱线群出现在fSC±nfH处，如图3-2（b）所示。只要选用副载频为半行频的奇数倍，即fSC=(n-1/2)fH就能将色度信号正好插在亮度信号频谱的空隙间，如图3-2（c）所示。章彩ffH

3-2(a)色差信号频(b)色度信号频(c)频谱交章彩NTSC ，从1954年1 evisionSystemsCommittee)制播送彩色电视。采用NTSC制的还有日 、墨西哥等国家。NTSC制色度信号采用了正交平衡调幅调制方式，因此又称为正交平衡调幅章彩平衡调幅又称为抑制载波调幅。抑制载波调幅可 设用色差信号uR-Y=(R-YcosΩtuSC=USCcosωSCt tm

)tm

式中，m=(R-Y)／USC章彩和两个边频频率ωSC±Ω。因为载频ωSC上不带任何信息，所以把载频抑制掉可以节省 。载频抑 )tm USC[

mUSCcostcosSCt(RY)costcosSCt(3-章彩上式表明用一个乘法器将色差信号与载波相乘就可以得到平衡调幅波，如图3-3所示。平衡调幅波有平衡调幅波的极性由调制信号和载波的极性共同0章彩平衡调幅波的振幅只与调制信号的振幅成正比衡调幅波的值也为零，这样可以节省，减少平衡调幅波的包络不是调制信号波形，不能用普通的包络检波方法解调，只能采用同步检波器在原载波的正峰点上对平衡调幅波取样，才能得到原调制信章彩

0

089

B－Ysin3-3(a)色差信号(调制信号)(b)副载波信号(c)平衡调幅章彩两个色副载波cosωSCt和sinωSCt图3-4（a）章彩

cos

(R－Y)cos

FB－YFB－Y90°R－Y(B－Y)sin

3-4(a)正交平衡调幅(b)色度信号矢量章彩色设副载波的幅值为1，色差信号B-Y与副载波sinωSCt在平衡调幅器中相乘后得到平衡调幅信号（B-Y）sinωSCt。副载波sinωSCt经90°移相器后，变成cosωSCt，与色差信号R-Y在平衡调幅器相乘后得到平衡调幅信号（R-Y）cosωSCt，然后 加，就得到色度信号：F(BY)sinSCt(BY) (BY)2(RY)2 t

(3-(3-章彩(B(BY)2(RY

arctanRB

章彩色度信号的振幅和相角之中包含了彩像的全部色度信息,振幅Fm取决于色差信号的幅值，决定了所传送彩色的饱和度；而相角φ取决于色差信号的相一个既调幅又调相的波形，其幅值传送了图像的色饱图3-4(b)长度代表色度信号的幅值，而φ是F的相角。将色度章彩 章彩标准彩条信号是一种彩色电视中常用的测试信 试与调整。标准彩条信号由三个基色、三个补色加上黑与白共八种颜色的等宽竖条组成，自左至右按亮度递减排列，依次为：白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑。标准彩条信号常用4位数码命名，第1位大值和最小值，第3位和第4位数字分别表示各彩色条章彩图3-5（a）是标准彩条信号的基色信号和色差信号波章彩 章彩

黄 绿 蓝 1

0.40

0.1 0.2 0.1

0.40G F

00.1

0.6

0.5

0.6

0.10BF0.450.6

0.5

0.630.4000.1000.10.0.80.0.40.5R－

0.1

10.8

0.

0.0.0.0.5

—0.10.—0.1

0.1 B－0

—0.7－0.50.50.－0

0.80

－0.4310.21

1.30.4

0.0

1.180

0.90.50—0.5—0.8

3-5

—0.21－0.43

－0

－(a(a(b章彩从表3-1中可看出，标准彩条信号的电平范围大大超过了黑白电视所规定的范围。对正极性标准黑白电视信号黑电平为013-1电平最高为1.7878%章彩当彩条色度信号超过白电平时，将产生过调失中分离同步信号时，色度信号将会被切割出来，破坏的同步，引起图像不稳。实践证明，在100-0-100-0彩条信号的最大电平和最小电平不超过黑白电平的±33%时，信号电平比较合适。色度信号压缩应在调制前进行，章彩设R-Y信号压缩系数为aB-Y压缩系数为bb2(BY)2b2(BY)2a2(RY(0.89b)2(0.89b)2

(3-章彩b2(BY)2b2(BY)2a2(RY(0.3b)2(0.3b)2

(3-章彩压缩后的色差信号R-Y用VV0.877(RYU0.493(BY

(3-(3-章彩FFUFVUsinSCtV

(3-U2U2V

(3-Fmsin(SCarctanU

(3-(3-章彩压缩后的标准彩条信号各色调的色差信号U、由此可画出压缩后彩条的色度信号波形和全电视章彩表3-2压缩后的100-0-100-0章彩

黄 绿 蓝 1

0.40

0.1 0.2 0.1

0.40G F

00.1

0.6

0.5

0.6

0.10BF0.450.6

0.5

0.630.4000.1000.10.0.80.0.40.5R－

0.1

10.8

0.

0.0.0.0.5

—0.10.—0.1

0.1 B－0

—0.7－0.50.50.－0

0.80

－0.4310.21

1.30.4

0.0

1.180

0.90.50—0.5—0.8

3-5

—0.21－0.43

－0

－(a(a(b章彩100%(即消隐电平)为76%色电平最低，为20%。如图3-6所示。图中给出了基色及其补色的色度矢量的位置，矢量长度表示该彩色的饱和度，相角表示该彩它的正方向φ=0，有关副载波或色度信号的相位都是章彩

黄

紫U0.59

3-6章彩相互窜扰。精确地选择副载波频率可以减少相互窜如3.1.3节所述，亮度信号在(n-1/2)fH附近有较大的NTSC制副载波频率选择为半行频的倍数，通常称为半行频间置。选择副载波频率还应考虑以下章彩 频带高端，因 信号6MHz的带宽范围。对于62550场／s的PAL制,fH=15625Hz, (2841) 567

章彩对于52560场／s的NTSC制fH=15734.264 (2281)

NTSC制采用半行频间置，色度信号的频谱正好插在亮度信号频谱的中间，如图3-7所示，这样可将章彩YYYYYYYYYY

284fH285 章彩由于

(3-经过一帧之后，第二帧的第1行(相当于626行)开始的章彩1行行316

626627940 3-8 (b)第2帧亮暗光章彩色度信号采用了抑制副载波的平衡调幅，解调色度信号不能用普通的幅度检波器来检波，而要用同步 副载波与发送端被抑制掉的副载波同频、同相位，由 色同步信号是9个周期左右的、振幅和相位都恒定不步前沿5.6μs，幅度为0.30V±9mV，宽度为2.25μs±230ns9±1其相章彩1.5

4.75.65.6122.25VUVU3-9NTSC(a)色同步信号(b)章彩的能力最弱。实践证明，I轴(与V轴夹角为33°)是人0～1.５MHz较宽的频带传送；与I轴正交的Q轴(与U轴夹角为33°)是人眼最不敏感的0～0.5MHzQI正交轴与UV正交轴有33如图3-10所示。这样，任意一个色度信号可用U、V表示，也可用QI表示。章彩VVIPQU 坐标变换章彩Qcos

sin33UI sinI

cos33

章彩利用亮度公式和式（3-12）、（3-13），可由Y

0.114R Q

0.312

章彩Q0.21Q0.2100－0.31I003-11章彩100-0-100-0彩条信号形成的Q和I信号的波形如图由U和V的不同线性组合可以构成各种不同的色差信号组，Q、I只是其中具有特殊性质的一组。根据人眼视觉特性，Q信号的带宽用0.5MHz,I信号的带宽用1.5 MHz来传送，就可满足人眼视觉特性的要求了。而且I信号还可以用不对称边带方式传送，如图12章彩

f/ 章彩 I

SK

图3-13NTSC制的编码 (a)章彩编中，矩阵电路按式(3-23)进行信号RGB的线YI和Q信号。由于YIQ不同，为了最后合成彩色全电视信号时，三者在时间上达Y和I通道中要接入不同的延迟线。副载波形成电路分别送出33°、123°和180°相位的三个副载波，供Q平衡调幅、I平衡调幅和色同步平衡调幅前两个平衡调幅器的输出相加得到色度信号FYFFb以及复合同步信号S脉冲混合，章彩

迟

图3-13NTSC制的编码 章彩在中，经图像检波恢复的彩色全电视信号，送入器中解调。Y通彩色全电视信号通过色同步选通电路得到色同步信号，用来恢复副载波。送入副载波相位分别为33°和123°的两个同步检波器，YIQ变换成RGB信章彩NTSC制色度信号的组成方式最简单，电路也最简单，容易集成化，容易降低成本，便于生NTSC制亮度信号与色度信号频谱以最大间距错开，兼容性能好，亮度窜色少，容易实现亮度信号和色度信号的分离，为制造高质量和电视信号数字章彩NTSC制有对相位失真比较敏感的缺点，容易产中最主要的是传输系统非线性引起的微分相位失真，即色度信号产生的相移与所叠加的亮度电平有关，这种微分相位失真不能用简单的相位校正网络来校正。色度信号是叠加在亮度信号之上传送的，同一种颜色可能在不同的亮度电平上传递，若传输通道中存在非章彩 R、G、BU、V、Fm、、I、Fu、Fv、F、Fb章彩PALPAL所谓逐行倒相FV进行逐行倒相(不是色度信号的倒相)PAL制色度信号数学表达式为章彩FFUFVUsinSCtVU2VU2VFmsin(SCtarctanU

(3-章彩为这一行与NTSCNTSC行)章彩

0.44

V61°U

0.59VVUF

3-14PAL(a)紫色信(b)彩条章彩假设第n行和第n+1行彩色相同，如彩条信号，因为Fn和Fn+1的FU分量是同相的，仅FV分量倒了相，所以Fn+1应是Fn以U3-14(a)以紫色为例画出了这种情况。图3-14(b)则是整个彩条矢量图逐行倒相的情况，其中实线表示NTSC行，虚线表章彩假设第n行和第n+1行彩色相同，如彩条信号，某位置是紫色，其矢量为F，如图3-15所示。设第n行(NTSC行)传送的是Fn矢量，它在第一象限，相角φ=61°；第n+1行(PAL行)由于FV分量倒了相，因此所传送的Fn+1矢量便到了第四象限，相角φ=-61°；再下一行传送的色度矢量又回到第一象限Fn的位置。章彩VVFnFnU3-15章彩在中，PAL开关要将倒了相的Fn+1重新倒回到FnFn和Fn+1矢量的位置不变，所以在的荧光屏上最终显示出原紫色；当传输通道中存在微分相位失真n行的矢量Fn产生了一个正的相移Δφ，即变成了F′nF′nn+1行为倒相行，由于n+1行和n行的色度信号是在同一通道中传送的，具有相同的相移，因此Fn+1矢量也产生一个正的相移Δφ,变成了F′n+1矢量。章彩F′n+1矢量经中PAL开关倒回到第一象限为F″n+1矢量，F″n+1矢量比Fn矢量的相角滞后Δφ,它的颜色为紫偏蓝，最终获得的色度信号是第n行为F′n矢量(紫偏红)，第n+1行为F″n+1矢量(紫偏蓝)。中再采用一行延时线把前一行的色度信号延迟后与本行的色度信号相加，即将矢量F′n和F″n+1合成、平均，就能使相邻两行有相反方向色调畸变的色度信号相互补偿，得到的将是无色调畸变的章彩从图3-15可以看出，矢量F′n和F″n+1正好对称地位于Fn矢量的两侧，所以合成矢量仍在矢量Fn的方向上，色调将准确地重现原色调，只是合成矢量的长度比Fn矢量的长度略短，表现为色饱和度略有下降，称为“退饱和度”察不到退饱和度效应。PAL制没有减小相位失真，只章彩色度信号的频谱结构由于FV分量逐行倒相而发生行频fH为间距,对称地排列在副载波fSC3-16实线所示。为简单起见，用主谱线代表谱线群，FU分量主谱线位置是fSC±nfH，其中n是不为零的整数。FV分量如果不逐行倒相，主谱线也应占有这些位置，章彩逐行倒相是用半行频对FV分量进行平衡调幅，平衡调幅器叫做PAL开关。半行频是开关信号，因为半行频电压的极性是一行为正，一行为调幅结果是相邻两行的相位逐行倒转而不改变原来的章彩半行频是以原点对称的，它的频谱是由半行fH/23fH/25fH/2…、(2n-1)fH/2。半行频对FVFV的主谱线分布在fSC±(2n-1)fH/2。所以FV的主谱线刚好与FU的主谱线错开了半个行频，如图3-16中虚线所示。章彩UUUUUVVVUVVfHfH3-16PAL章彩色既然主谱线U和V相互错开了fH／2，为了减小干U、V谱线的正中间，即副载频应采用间置 (n1)

(3- 为了使所选择的PAL制副载波频率容易变换NTSC制，取n=284，这样fSC283.75 章彩fH／4FU谱线比亮度信号低fH／4FV的谱线比亮度了，如图3-17所示。章彩YVUYVUYVUYVVYUYVYYf 3-17章彩

在一行周期内有283.75个副载波周期。图像一行内有284个干扰亮点。下一行开始是0.25个副载波周1／4干扰亮点逐行向右移了1／4周期。人眼能觉察到干扰光点以缓慢速度有规则地作对角线移动。为了消除这章彩这样，光点干扰移动速度提高到了原来的3倍，不易眼察觉，所以PAL制最后精确选定的副载波fSC=283.75fH+25Hz＝4.43361875 章彩PAL制的色同步信号有两个功能：一是给恢复副载波提供一个基准频率和相位；提供一个极性切换信息，来识别哪一行是 信号中的位置完全相同。它们之间的最大区别在于：PAL制色同步信号中副载波是逐行倒相的，即NTSC行为+135°，PAL行为-135°（225°）章彩为了不影响场同步脉冲的分离，在场同步脉冲(包括均衡脉冲)期间的9行内，要加一个色同步消隐门脉副载波锁相环路的稳定，应使消隐门脉冲前后两个色同章彩

272712142345674 1949 图 章彩 沿滞后于行同步前沿5.6±0.1μs，脉冲的宽度为2.26±0.23μsK10个副K脉冲加入V信号，将负K脉冲加入U信号，如图3-19这样，逆程期的K脉冲和正程期的色差信号将一载波是零相位副载波，负K脉冲和零相位副载波平衡调幅后，在已调U信号FU中K脉冲对应的位置上就留章彩V平衡调幅器的载波是逐行倒相的（±90°）V信号中的K脉冲对相位±90°V信号FV中K脉冲对应的位置上就留下了相位±90°副载波。FU、FV分量混合的色同步信号，其表达式为FT=-KsinωSCt±K 式中第2项NTSC行时取正号，PAL章彩

FVT FVT tUVPUPUUPAL

3-19(a)色同步信号产生方框图(b)色同步信号矢量章彩PAL 色全电视信号。图3-20是PAL编 提供，常用的同步 章彩 矩 阵V电路

0.60.6sVU幅

信FK步fSC P

图3-20PAL 方框章彩光电传感器送来的三基色信号R、G、B通过矩阵电路产生亮度信号Y和压缩了的色差信号U和V1.3MHz带有K脉冲的带宽为1.3MHz的UV信号送入U和V平衡调幅，输出的FU和±FV分量性相加器叠加得章彩Y信号通过一个中心频率为fSC、带宽为400kHz的-6dB陷波亮度通道的带宽为6MHz，色度通道的带宽为1.3MHz迟小于色差信号延迟，色度信号于亮度信号0.6μs，造成彩色镶边，因此将亮度信号延迟0.6μs使亮度信号和色度信号在时间上一致。色度信号F与亮度信号Y性相加器叠加输出彩色全电视信号。章彩 集成电路有很多型号，如日立公 。这些编 章彩 是编码的逆过程，在彩色电视机的器中彩色全电视信号经过五步信号处理还原成三基色信3-21是PAL器的方框图。章彩4.43MHz 0.6s信号

F

G VF±cosVFU波 B

PAL

4.43MHz图3-21 章彩中、幕彩色电视机用频带分离法把彩色全电4.43MHz全电视信号用一个中心频率为4.43MHz,带宽为2.6MHz的带通滤波器选出色度信号。如图3-22所示，图中每种信号都用两种形式表示，上面是波形，下面是其频频带分离法简单、成本低，但亮度和色度分离不干净，图像质量易受影响；大屏幕彩色电视机改用频章彩 H H 3-22章彩可以用时间分离法分开色同步信号和色度信号。行同步脉冲前沿延迟5.6μs产生宽度为2.26μs的门控在门控脉冲控制下交替导通来实现时间分离，如图3-色同步信号窜入色度信号；色同步选通门导通，章彩

色同步信号与色度信号的分章彩色度信号的两个分量FU、FV是用频谱分离法分离梳状滤波器由一行延迟线、加法器和减法器组成3-24入端后，信号分成：一路直接送到加法器和减法器，称为直通信号；另一路通过延时线延迟63.943μs后送到加法器和减法器，称为延时信号，延时信号比直通信号延迟283.5个副载波周期，相位滞后章彩当直通信号为NTSC行时，是FU+FV，延时信号为2FV2FU。-（FU+FV），-2FV从加法器输出逐行倒相的FV分量，从减法器输出FU分章彩可以证明加法器和减法器的输出幅频特性具有正些频率上信号被，通过和被的频率以半行频3-24PAL制色度信号FUFV波器能有效地将FUFV信号分离。章彩 FU1212 FV

3-24FU与VV章彩用平滑曲线连接各取样点才能得到原调制信号。由于发送端已将副载波抑制，中要利用色同步信号恢复副载波，当恢复副载波与发送端副载波同频同相章彩将FU和sinωSCtFUsinωSCt=U 章彩=(±V 经低通滤波器滤除高频成分cos2ωSCt得到V信号。章彩FU UUUFV

V V V±cos 同步检波示意章彩矩阵将Y、U、V信号还原为三基色信矩阵首先将U和V信号去压缩，恢复为原色差信号R-Y和B-Y，然后将R-Y和B-Y组合得到G-Y，最后基色信号RGB。章彩YUV

RGB 章彩PAL制的主要优对相位失真不敏传输系统的非线性失真是不可避免的，特别是在传输过程中会产生微