第一章 彩色电视的基础知识

PAGEPAGE18第一章彩色电视的基础知识电视是20世纪电子科学技术最重要的成果之一。电视在人类进行信息传播过程中起着非常重要的作用，以至于有人感叹的说：如果今天没有电视，我们的生活将会怎样？电视技术是综合光学、材料学、物理学、电子技术、数字技术等为一体的综合技术。从电视技术的诞生到电视技术的广泛应用，以及电视所发挥的社会作用，都充分体现出电视技术的神奇和奥秘。电视是如何完成图像的光电转换、传递、接收以及各相关功能，本章将深入浅出的介绍。第一节彩色电视的三基色原理一、三基色原理人眼之所以能感受到自然界五彩缤纷的景物，是由于光波映入人眼而引起的视觉效果。光波也是电磁波，其频率范围很广，其中，人眼可以直接看到波长在380～780毫微米范围内的电磁波，我们称其为可见光，如表1-1-1所示。因此，只要物体的辐射波或反射波在可见光的范围内，我们就可以感受到它的存在和色彩。为了准确地描述物体的颜色，我们采用亮度、色调和色饱和度三个物理量来描述，通常称之为彩色三要素。表1-波长（单位：nm）可见光颜色380～420紫光420～450蓝光450～490青光490～560绿光560～590黄光590～620橙光620～780红光1．亮度亮度反映光刺激人眼时所引起的明亮程度。通常光辐射体的功率越大，亮度越高，反之则亮度越低，对于不发光的物体，亮度取决于它反射光功率的大小。将亮度经光电转换形成的电信号称为亮度信号，通常用EY或Y表示。它是黑白电视的主要物理量。对于彩色电视，为了能与黑白电视兼容，亮度信号也是彩色电视必需传送的信号之一。2．色调色调，反映了物体颜色的类别。如：红、绿、蓝等不同颜色。色调与光的波长有关，不同波长的光呈现不同的颜色，如580毫微米波长的光呈现黄色，某物体的色调取决于光源的波谱成分和它本身反射光的波谱成分。例如，树叶在阳光（白光）照射下，它吸收了其他光谱成分而将绿色光谱成分反射，从而呈现绿色；白纸在绿光照射下，只有绿色光谱被反射，而呈绿色。因此，当我们观察物体颜色时，除了物体本身的属性外，还与照明光源的光谱特性有关。3．色饱和度色饱和度表示物体颜色的浓淡程度。它与该色调中掺入白光的多少有关。白光成分越多，物体颜色越淡，其饱和度越低。色调和色饱和度是表征颜色的两个物理量，在彩色电视中统称为色度，它既可说明物体颜色的类别，又可说明颜色的浓淡程度。反映色度的电信号称为色度信号。自然界中物体的颜色是千变万化的，那么电视是怎样重现景物的颜色呢？人们通过研究发现：虽然不同波长的单色光会引起不同的彩色感觉，但相同的彩色感觉却可能是不同光谱成分的混合组成。例如，适当比例的红光与绿光混合，可以产生与单黄色光相同的彩色视觉效果。4．加法混色与三基色基本原理所谓加法混色是指：两束或两束以上不同颜色的光同时（或交替）投射到人眼视网膜的锥状细胞时，会产生与投射的光相关联的另一个颜色的感觉，这个产生的颜色称为混合色。它是把色光叠加起来的混色方法。例如，红光和绿光投射到人眼的锥状细胞时，就会产生黄色的感觉，黄色就是红和绿的混合色。它具有以下特点：红、绿、蓝三种光以适当比例相加混合，可以得到白光。改变其比例，可得到许多不同颜色的光，互补色光可混合成白光。红、绿、蓝称为加法混色的三基色。如图1-1-1所示。图1-1-1加法混色实验证明：自然界几乎所有存在的颜色都可以用红、绿、蓝三种基本的色彩（简称基色）按一定比例混合而成；反之，任意彩色也可以被分解成该三个基色组成。另外，混合色的亮度等于各个基色亮度之和。其次，三种基色分量之间的比例，直接决定混合色的色度（色调和色饱和度）。这就是色度学中的三基色基本原理。三基色基本原理是彩色图像的摄取、传输和重现的重要理论依据。根据这一原理，传送一幅绚丽多彩、千变万化的彩色图像时，并不需要传送其中各种不同颜色的真实波长和强度，而只要传送三个基色信号就可以。在重现时，只要混合三个基色就可达到与原图像等效的彩色视觉效果。这样，大大简化了重现彩色的技术措施，使彩色电视成为现实。二、三基色的混色法利用三基色按不同比例混合来获得彩色的方法称为混色法。目前电视采用的混色方法有以下两种：1．空间混色法将三基色光同时投射到某一平面邻近的三个点上，只要这三个点足够近，由于人眼的分辨力的局限性，就能产生三种基色光混合的彩色感觉。当显像管荧光屏上“品”或“一”字形排列的荧光粉被红（R）、绿（G）、蓝（B）三束电子分别击中而发光时，只要这些发光点足够近，人眼就无法分辨出红、绿、蓝三种颜色，而得到是它们相加的混和结果。这就是空间混色法，是实现同时制彩色电视的基础。2．时间混色法把三基色光按一定顺序先后投射到某一平面上，当三者交替速度足够快，由于视觉惰性，人眼无法分辨出每一幅画面，而产生混色效果。在彩色电视系统中，原彩色图像被分解成R、G、B三幅基色光图像，转换成电信号并传输后，接收端按一定顺序将它们轮流重现在彩色屏幕上，只要轮流频率足够高，人眼就无法分辨每一轮单色的图像，而看到一幅由三幅基色光图像混色而成的，与原图像一致的彩色图像。这种混色法被称为时间混色法，是实现顺序制彩色电视的基础。三、彩色电视信号三基色的传输根据三基色原理，可以把自然界景物中丰富多彩的彩色图像，经彩色摄像机光学系统，分解成R、G、B三个基色图像。通过扫描等视频处理，把它们变成相应的基色电信号ER、EG、EB，同时传送到彩色监视器上，就能重现出原景物的彩色图像。但实际传输电视信号时，若采用直接传输三基色电信号，系统不仅需要三路传输通道，使传输带宽增加三倍，而且为了保证再现彩色图像与原图像色彩一样，要求三路通道在频率特性等技术性能上完全一致，这不仅在技术上难以实现，占用更多的带宽，而且也使黑白电视无法与彩色电视兼容。因此，要选用合适的处理方式将红、绿、蓝三路电信号合成一路彩色电视信号在一路通道中传送。通过分析，人们发现将三基色信号进行线性变换，组成亮度信号和红色差、蓝色差，再将红色差、蓝色差两路色差信号进行正交调制加到亮度信号频谱高端上，便可实现在一路通道内传送彩色信号。接收端也很容易从亮度信号和两路色差信号中还原成三基色信号，重现原彩色信号。色差信号是指由基色信号和亮度信号之差组成的信号。设亮度信号为EY，则红色差信号为EREY，蓝色差为EBEY，绿色差为EGEY，它们与三基色信号之间的关系是亮度方程为EY=0.30ER+0.59EG+0.11EB色差方程为ERY=EREY=0.70ER0.59EG0.11EBEBY=EBEY=0.30ER0.59EG+0.89EBEGY=EGEY=0.30ER+0.41EG0.11EB（1-1）在以上三个色差信号中，只有两个是独立的。已知其中的两个色差信号，可以得到另一色差信号，也就是说只要传送亮度信号和两个色差信号就可以了。从公式（1-1）可以看出，绿色差信号的幅度最小，不利于传送。所以在实际应用中，仅传送亮度信号和红、蓝色差信号，即选用亮度信号EY、红色差信号ERY、蓝色差信号EBY作为传输信号，在接受端，收到这三基色信号后，可由EY、ERY、EBY恢复EGY信号，然后再通过矩阵电路将三个色差信号与亮度信号相加，得到三个基色信号。即EGY=(0.30/0.59)ERY(0.11/0.59)EBYER=ERYEYEB=EBYEYEG=EGYEY（1-2）将三基色信号ER、EG、EB送给显像器件，则可在显像器件的屏幕上再现彩色图像。 如果用R、G、B、Y分别表示红、绿、蓝信号和亮度信号，亮度信号方程和红、蓝色差信号方程也可写为Y=0.30R+0.59GR-Y=0.70R0.59G0.11BB-Y=0.30R0.59G+0.89B四、电视的色域与高清电视的亮度方程1953年美国制定NTSC标准时采用了C光源，以此为依据导出了现在仍然广泛使用的亮度方程Y=0.30R+0.59G+0.11B。然而在实际应用中很快发现，这种基于C光源的NTSC色域在制造产品也就是显像管时存在比较大的问题。符合NTSC色域的荧光粉特别是绿色荧光粉的发光效率太低，发光效率比较高的绿色荧光粉又不符合NTSC色域。随着显像管制造技术特别是荧光粉技术的发展市场上出现了采用“新型”荧光粉制造的高亮度显像管，但这些显像管荧光粉的色域特别是绿色域都不符合NTSC标准，因此彩色还原不如低亮度的显像管好。由于1965年CIE（国际照明委员会）定义了D光源也就是D65基准白，并被1966年制定的PAL标准首先采用。EBU（欧洲广播联盟）制定PAL标准（EBUTecn.3213）时，充分考虑了当时荧光粉的制造技术水平，特别是绿色荧光粉。因此虽然看起来EBU的色域比NTSC小了一些，但依此标准制造的显像管比较好地兼顾了亮度与彩色还原的性能。严格地说由于采用了不同于NTSC的色域和标准白，PAL标准应该采用与NTSC不同的亮度方程，但EBU仍然沿用了NTSC亮度方程没有作任何改变，所以这个所谓的“标准亮度方程”用于PAL时肯定是有误差的，只不过因为误差不大对实际应用的影响比较小。SMPTE（美国电影电视工程师协会）RP145制定的SMPTEC彩色监视器色域标准也采用了与欧洲类似的思路，其RGB色坐标与EBU非常接近，但与NTSC色域相差比较大。与EBU相同SMPTEC也采用了D65基准白，但为了与原有的标准保持一致采用SMPTEC色域的NTSC设备仍然使用了NTSC亮度方程。1984年ITU（国际电信同盟）R601（原来的CCIR601）标准制定时也采用了与NTSC完全相同的亮度方程系数，在数字电视时代进一步确定了NTSC亮度方程的“标准性”。如今在标清电视领域广泛使用的亮度方程是从古老的、已经不再使用的C光源和NTSC色域推导出来的，但C光源和NTSC色域早已成了仅存在于教科书上的标准，实际使用的是D65基准白和EBU、SMPTEC色域。这种矛盾的现象造成了标清电视彩色还原的误差，但这是历史的产物，是既成事实。表1-1-2NTSCEBUSMPTE-CHDTV（ITU-R70）xyxyxyxyR0.6700.3300.6400.3300.6300.3400.6400.330G0.2100.7100.2900.6000.3100.5950.3000.600B0.1400.0800.1500.0600.1550.0700.1500.060基准白CD65D65D65基准白坐标0.31010.31620.31270.32900.31270.32900.31270.3290在1990年制定的高清标准ITUR709中色域是一个政治上妥协的产物，其R和B的坐标以及G的y坐标与EBU完全相同，G的x坐标则是SMPTEC和EBU的平均值。与EBU和SMPTEC一样，ITUR709也采用了D65基准白。趁着从标清向高清过渡的机会ITUR709彻底解决了标清时代遗留的亮度方程这个历史问题，消除了标清电视标准中存在的亮度和色度误差。ITUR709的亮度方程是从D65基准白和ITUR709色域推导出来的，没有沿用原有的NTSC标准，与NTSC的亮度方程系数不一样。最显著的差别是彩条测试信号，用示波器可以看到高清的绿色与紫色之间亮度信号的幅度变化比标清大得多，这是因为与标清亮度方程相比高清的亮度方程中绿色分量增加而红色、蓝色分量减少造成的。高清电视信号的亮度方程为：Y=0.2126R+0.7152G+0.0722B表格1-2和图1-1-2给出了NTSC、EBU、SMPTEC和HDTV（ITU709）的电视色域。图1-1-第二节电视广播的过程图1-2-1画面与像素图1-2-1画面与像素一、图像传送无线电广播是一个声-电-声的转换过程。而在电视广播中，被传送的是图像和伴音，其中伴音的传送相当于调频无线电广播。而图像的传输是光-电-光的变换过程。一幅图像是由许多亮暗不同的细小点子组成的。这些细小的点子是构成一幅图像的基本单元，称为像素。像素越小，单位面积上的像素数目越多，图像越清晰，如图1-2-1所示。在图1-2-1把图像分解成像素后，怎样传送这些像素呢？我们可以设想，用一块由几十万个光电器件（用于将景物光像转变为电信号）和一块由几十万个灯泡（用于将电信号转换为景物光像）来传递图像，如图2-2图1-2在实际的电视广播中把被传送图像的各像素按一定顺序转变成电信号，并依次传送出去。在接收端的荧光屏上，再按同样的顺序将各像素的电信号在相应位置上转变为光，只要这种顺序进行的足够快，由于人眼的视觉暂留现象和荧光屏发光材料的余辉特性，就会使我们感到整幅图像同时发光而没有顺序感，这种传像方法是顺序传送方式，它只需要一个传输通道，如图2-2-3图1-2-3顺序传送方式将图像变成顺序传送电信号的过程和把顺序传送电信号变为图像的过程在电视技术中称为扫描。前者称为图像分解扫描过程，后者称为图像合成扫描过程。在电视系统中，扫描是按着从左至右，自上而下的顺序进行的。从左至右的扫描称为行扫描或水平扫描，自上而下的扫描称为帧扫描或垂直扫描。图1-2-3中是一种模拟的机械扫描装置，开关k1、k2接通某个像素时，此像素就被发送和接收。这里要求k1、二、扫描方式扫描的方式有多种多样，例如圆扫描、直线扫描和螺旋扫描等。电视技术中采用的是均匀的单向直线扫描。根据扫描方式的不同，它又可分为逐行扫描和隔行扫描。1．逐行扫描图1-2-4逐行扫描逐行扫描方式是电子束在光电靶或荧光屏上自左向右，从上到下均匀地一行接一行地扫描。电子束运行的轨迹如图图1-2-4逐行扫描电子束从左到右的扫描过程称之为行正程扫描，如图中实线所示，时间为THI；电子束从右到左的扫描过程称之为行逆程扫描，如图中虚线所示，时间为THR。行正程扫描与行逆程扫描时间之和称之为一个行扫描周期，用符号TH表示，应该有TH=THI+THR。电子束从左上角向右下角扫描的过程称之为帧正程扫描，所需的时间标记为TVI。电子束从右下角向左上角回扫描的时间称之为帧逆程扫描，所需时间标记为TVR。同样，TV=TVI+TVR称之为帧周期。为了保证每幅画面的扫描光栅完全重合，行与帧扫描周期应满足公式（2-5），其中，Z为扫描行数。TV＝ZTH（1-5）2．隔行扫描隔行扫描是将一帧画面的图像分为二场扫描。625/50系统如图1-2-5所示。奇数场按照橙色线箭头方向进行扫描，偶数场按照蓝色线箭头方向进行扫描。图1-2-5隔行扫描由图1-2-5可以看出隔行扫描中每帧图像需二场扫描，第一场称为奇数场，只扫1、2、3……313前0.5行，第二场称为偶数场，只扫313后0.5行、314、315……625行。为了保证物理设备实现起来的方便，通常采用奇数行的隔行扫描，则每场的扫描行数为n0.5，n为正整数。为了保证每场光栅的重合，行频与场频的关系如下，fH/fV=n+0.5=Z/2（1-6）三、扫描行数与像素数1．标清电视与高清电视在标准清晰度电视中，扫描行数主要有525行和625行两种，高清晰度电视扫描行数为1125行。在标清电视中，图像的宽高比（又称为约束比）为4/3，每帧图像的扫描行数有525行和625行两种。由于采用隔行扫描，即一帧图像分为奇偶两场传送，场频分别为50Hz和60（实际上为59.94）Hz。在黑白电视标准中，有分别记为525/60i（interlacedscanning）和625/50i，供市电频率为50Hz和60Hz的国家和地区采用。在525/60i和625/50i隔行扫描的电视系统中，去掉场消隐区，这两种标准的有效扫描行数分别为480行和576行。在电视画面中，水平方向的解像能力应该与垂直方向相同。以625/50i为例，计算水平方向的解像能力应为576*4/3=768，或者说水平方向应该有768个像素。可见，625/50i系统一帧电视画面的解像能力为768*576=442,368个像素，约为44万个像素。在高清电视中，有效扫描行数为1080，画面的约束比为16/9，可以计算出一帧高清电视画面的有效像素数应该为1920*1080，为2,073,600个像素，约为207万像素。在高清电视系统中，为降低传输码率也采用隔行扫描，在市电频率为50Hz和60Hz的国家和地区，其场频分别为50Hz和60（59.94）Hz，分别表示为1080/50i和1080/60（59.94）i。在制作端，对应的帧频分别为24Hz（微电影）、25Hz（50i）、30Hz（60i），分别记为24p、25p和30p。在显示端，为减少帧频闪烁，采用逐行扫描（progressivescanning）显示，帧频加倍，又出现了1080/50p和1080/60p。2．4k电影像素为4096×2160的数字电影正在走进我们的生活。这种4k级别的电影，其分辨率可提供880多万像素，从而实现电影级的画质，相当于目前顶级1080p的四倍还多。当然超高清的代价也是不菲的，每一帧的数据量都达到了50MB以上，因此无论解码播放还是编辑都需要顶级配置的机器。4k，是新一代数字电影的分辨率标准。它不同于我们在家里看的所谓高清电视（1080p，1920×1080分辨率），也不同于传统数字影院的2k分辨率的大屏幕（2048×1080分辨率），而是具有4096×2160分辨率的超精细画面。用简单的比喻就是：你在家里看到的高清电视是207万像素的画面，而在传统数字影院里看到的是221万像素的2k画面，在4k影院里，能看到885万像素的4k画面。第三节标准和高清彩条信号一、标清彩条信号标准彩条信号是由彩色信号发生器产生的一种测试信号，常用来对彩色电视系统的传输特性进行测试和调整。用彩条信号比用彩色测试卡方便，而且可以免除由于摄像机等信号源性能不理想给测试带来的影响。本节以标准彩条信号为例，给出亮度信号和色差信号的具体数据和波形。标准彩条信号是用电的方法形成的一种电信号，它在接收机或监视器上显示为八条等宽的竖条。自左至右依次为白、黄、青、绿、品、红、蓝、黑。如图2-3-1所示。标准彩条信号可以有不同的规范。图1-3-1（b）、（c）、（d）分别示出一种规范的正极性彩条三基色信号波形图。如果把它们与白条对应的电平定为1.0；与黑条对应的电平定为0，则这种规范的三基色信号的电平非1即0，由其显示的彩色均为饱和色。例如，对应自左至右第三条G0=B0=1、R0=0，显示饱和青色；第四条G0=1、R0=B0=0，显示饱和绿色等。因此称为100%饱和度、100%幅度(最大幅度)彩条信号。在这种命名法中，三基色信号均指未经校正的信号。由100%饱和度、100%幅度彩条三基色信号组成的亮度信号和色差信号的波形与数值见图(e)～(g),如果三基色信号的最大值仍为1，而最小值为0.05，则不难算出在各基色和补色条中，均含有5%的白光。因而成为95%饱和度、100%幅度彩条信号。此外，还可以有其它规范的彩条信号，例如100%饱和度、75%幅度彩条信号等。图1-3-1彩条信号波形图标准彩条信号还可以用另一种由四个数码表示的命名法。例如100-0-100-0彩条100-0-75-0彩条、100-0-100-25彩条等。我国彩色电视广播标准规定采用100-0-75-0彩条信号。此彩条原是欧洲广播联盟（EBU）提出并采用的，又称EBU彩条。在四数码表示法中，各信号均指校王后的信号。每一数字表示相应条的基色信号的百分比幅度，而基准则是组成白条的任一基色信号的幅度。第一和第二数字分别表示组成无色条(黑白条)的R、G、B的最大值和最小值；第三和第四数字分别表示组成各彩条的R、G、B的最大值和最小值。例如，组成白条的基色信号的幅度为1，则100-0-75-0彩条的各基色信号的幅度是：对应白条有最大值1；对应黑条有最小值0；对应各彩色条有最大值0.75和最小值0。彩条信号用四数码命名时，其百分数饱和度和幅度可如下计算：饱和度%=[1－(Emin/Emax)]×100（1-7）幅度%=Emin/Ew×100（1-8）式中Emin是彩色条R、G、B的最小值；Emax则是彩色条R、G、B的最大值，Ew是白条R、G、B的幅度。不难看出，按式(1-7)计算所得百分数饱和度即是按未经校正信号值计算的饱和度，所以与前一种表示法的含意相同。但按式(1-8)计算所得百分数幅度，却表示校正后的彩条信号幅度，与前一种表示法的含意有所不同。用于625/50系统的100-0-100-0的彩条信号可由亮度方程、红色差方程和蓝色差方程求得。EY=0.30ER+0.59EG+0.11EBERY=EREY=0.70ER0.59EG0.11EBEBY=EBEY=0.30ER0.59EG+0.89EB表1-3-1625/50系统的100-0-100-0的彩条信号彩条白黄青绿品红蓝黑R11001100G11110000B10101010Y10.890.700.590.410.300.110R−Y00.11−0.70−0.590.590.70−0.110B−Y0−0.890.30−0.590.59−0.300.890注：表中，R、G、B、Y、R−Y和B−Y的1和0分别表示幅度为1和幅度为0。可算出，100-0-100-0彩条信号为100%饱和度和100%幅度；100-0-75-0彩条信号为100%饱和度和75%幅度。而100-0-100-25彩条信号，当=2.2时为95%饱和度和100%幅度；当=2.8时则为98%饱和度和100%幅度。当彩色电视系统传送实际景物或图像时，通常不会出现100-0-100-0彩条信号那样的高饱和度和大幅度信号。由这种彩条信号形成的色度信号幅度也较大，若欲叠加在亮度信号上一同传输而不产生失真，则对传输通道的动态范围将提出较高的要求。因此，对系统有严格要求时才用这种彩条信号作为测试信号。通常只在精细调整编码器和解码器时才使用。表1-3-2彩条白黄青绿品红蓝黑R11001100G11110000B10101010Y10.92780.78740.71520.28480.21260.07220R−Y00.0722−0.7874−0.71520.71520.7874−0.07220B−Y0−0.92780.2126−0.71520.7152−0.21260.92780（a）表1-3-2中彩条亮度信号（b）16:9/4:3兼容SMPTERP219彩条图图1-3-2高清彩条信号可由其亮度方程和红、蓝色差方程导出，如表1-3-2所示。前已述及，其亮度方程与NTSC的色域推导出来的亮度方程区别很大，从而红、蓝色差方程也与标清红、蓝色差方程也有很大区别，见下式。Y=0.2126R+0.7152G+0.0722RY=0.7874R0.7152G0.0722BY=0.2126R0.7152G+0.9278B（1-9据表1-4，可以绘出高清彩条信号图和亮度信号波形图，不再赘述。第四节模拟彩色电视制式和数字电视制式所谓彩色电视制式，就是传输和处理三基色信号的制度程式。由于它对三基色信号处理的方式不同，从而构成具有不同特点的彩色电视制式。从传输三基色信号的时间关系上看，传输制式可分为同时制、顺序制、同时——顺序制三种。在同时制中，三基色信号或亮度、色度信号是同时传送的。发送端对三基色信号进行编码，变换成一路复合信号，在接收端经解码恢复三基色信号。同时制在显像端是利用空间混色原理再现原图像。在顺序制中，三基色信号按一定时间顺序轮流传送，在显像端既利用空间混色原理，又利用时间混色原理。在同时——顺序制中，部分信息是同时传送的，另一部分是顺序传送，显像方法与同时制相同。彩色电视是在黑白电视的基础上发展起来的，为了实现与黑白电视的兼容，彩色电视系统选用了在亮度信号的高频端通过调制插入色度信号分量，保证了在亮度通道带宽不变的基础上，传送色度信号。从而实现了彩色电视系统和黑白电视系统的兼容。所谓“兼容”就是彩色电视机可接收黑白信号，黑白电视机可接收彩色信号，但都呈现黑白图像。目前用于模拟彩色电视的制式有NTSC制、PAL制和SECAM制三种制式。这三种制式都采用了与黑白电视兼容的信号处理方式，它们的亮度信号都是相同的。一、NTSC制NTSC制又称为正交平衡调幅制。它是1953年在美国研制成功的。1．色度信号的正交平衡调幅NTSC制色度信号的处理方式是正交平衡调幅制，即色度信号EC是由红色差信号和蓝色差信号分别调制在二个频率相同、相位正交的正弦和余弦副载波上，然后相加得到。其编码框图如图1-4-1所示。图1-4-1正交平衡调幅原理由图1-4-1可知，NTSC制的色度信号EC为EC=ERYcos(sct)EBYsin(sct)（1-10）其中，ERY为红色差信号，ERYcos(sct)是对副载波fsc的平衡调幅，它的特点是抑制了载波；EBY为蓝色差信号，EBYsin(sct)是对副载波fsc的平衡调幅，由于sin(sct)和cos(sct)为二正交分量，所以我们称这种调制方式为正交平衡调幅。由上式，令C=EC，则色度信号下又可改写为C=Csin(sct)其中色度信号C的模为：C=(E2RYE2BY)1/2=arctg(ERY/EBY)调制后的色度信号的振幅C与色度信号的色饱和度有关，相角与颜色有关。常用的NTSC制有二种，一种是525行，行频为15750Hz，场频为60Hz，色副载波频率为3.58MHz的NTSC制；另一种是625行，行频为15625Hz，场频为50Hz，色副载波频率为4.43MHz的NTSC制（NTSC4.43）。美国和日本采用是前者的NTSC制，后者用于多制式的磁带录像机，又常称为假NTSC制。2．NTSC制的特点（1）优点NTSC制具有色度信号合成和分解简单，实现容易，设备成本低的特点且兼容性好，彩色副载波对亮度的干扰小，图像质量高；彩色重现图像无明显的“爬行”和亮度闪烁现象。（2）缺点传输通道的非线性容易造成微分相位和微分增益的失真。微分相位的失真会造成颜色的失真；传输通道的带宽过窄容易造成图像彩色镶边，对群延时、多径接收较敏感，容易产生色度失真。二、PAL制PAL制是1962年由德国科学家W.Bruch教授最先提出的。为了解决NTSC制的相位敏感的缺点，Bruch指出逐行倒相的正交平衡调幅的色度信号可以克服NTSC制对色度信号的相位敏感。1．逐行倒相的正交平衡调幅PAL制中，蓝色差信号与NTSC制相同，平衡调制在正弦副载波上，我们称之为CU分量。而红色差信号是逐行倒相地平衡调制在余弦副载波上，我们称之为CV分量。这样每相邻相位的CV分量的副载波相位相差180，其色度信号C的编码框图如图1-4-2所示。色度信号为C=CUCV=EBYsin(sct)ERYcos(sct)（1-11）与式（1-10）相比，其区别在红色差信号的平衡调制项多了一个因子。通常规定取峰值白色电平与黑色电平的差为1，图像信号的最大摆动范围不得超过白色电平和黑色电平以外0.33。也就是说复合信号的最大摆动范围为0.33和1.33的界限内。为此分别按系数k1、k2来压缩色差信号，这两个系数称为压缩系数，经计算可得k1=0.493，k2=0.877，压缩后的信号分别用U=k1EBY，V=k1ERY。式子（2-7）可写为C=Usin(sct)+g(t)Vcos(sct)（1-12）图1-4-2PAL制编码原理及编码后的彩条信号g(t)为开关函数，分别取l或1。当g(t)=1时，我们称该行为NTSC行；当g(t)＝1时，我们称该行为PAL行。由（2-8）式，色度信号又可改写为C=Csin(sct)（1-13）其中：C=(U2V2)1/2，=g(t)arctg(V/U)。PAL彩色电视信号可以表述为亮度信号与色度之和，即Y＋C＝（0.30R＋0.59G＋0.11B）＋Usinsct+g(t)Vcossct＝（0.30R＋0.59G＋0.11B）＋Csin(sct2．PAL制的特点（1）优点PAL制克服了NTSC制的相位敏感的缺点，它的相位失真容限达40，相位的失真不会造成色调的改变，而只是引起饱和度的下降；对传输通道带宽过窄有较大的防御能力。当传输通道带宽过窄时，对色度信号的影响是饱和度的下降，而不是像NTSC制表现为正交串色；多径接收对PAL制的影响小。（2）缺点在解码时，由于采用了梳状滤波器延迟一行，然后前后两行取平均值的方法得到该行的色度信号，使彩色图像的清晰度下降；色度信号的处理电路比NTSC制复杂，所以接收机成本有所提高；由于红色差信号的逐行倒相，PAL制存在“爬行”和行间闪烁的现象。三、SECAM制SECAM制最早是由法国工程师亨利.弗朗斯于1956年提出。它同样也是为了解决NTSC制的相位敏感。在SECAM制中色度信号是采用了顺序传送与存储复用的方法。图1-4-3SECAM制编码原理在SECAM制中，亮度信号是每行连续传送的，与NTSC制和PAL制相同，而二色差信号ERY、EBY分别对二不同频率色度副载波进行调频，逐行轮换传送。例如，第n行传送ERY调频信号和亮度信号，第n＋l行则传送EBY调频信号和亮度信号。在解码时，将前一行的色差信号延时一行，作为本行的色差信号，在将本行实际传送的色度信号与亮度信号送入解码电路，经解调输出三基色信号。其编码框图如图1-4-3所示。2．SECAM特点（1）优点传输失真对色度信号的影响小；大面积着色不受微分增益和微分相位失真的影响；传输通道的频率特性和多径接收对其图像质量的影响小。（2）缺点色度信号处理复杂，不利于数字化，存在行顺序效应。四、数字电视制式简介数字电视是一个从节目采集、节目制作、节目传输直到用户端都以数字方式处理信号的端到端的系统。数字电视是在模拟电视的基础上发展起来的，模拟电视的主流是画幅约束比为4/3的标准清晰度电视，简称为模拟标清电视。20世纪80年代后期。日本曾进行过模拟高清晰度电视的试播。到了20世纪90年代中后期，随着技术、条件的成熟，数字电视开始得到迅速的发展。1995年9月15日，美国正式通过ATSC（AdvancedTelevisionSystemsCommittee）数字电视国家标准。1996年4月，法国第一个开始了数字电视商业广播，全世界的数字电视广播迅猛发展，其中尤以DVB-S（DigitalVideoBroadcasting-Satellite）广播技术的应用发展最为普及。我国也制定了国家数字电视发展策略，近年来大力推行由电视模拟信号向数字信号的转换，计划于2015年前在全国范围关闭模拟信号播出。依据其信息处理、传输能力，数字电视系统一般可分为标准清晰度电视和高清晰度电视。考虑到从模拟到数字的顺利过度，标清电视沿用模拟标清电视的扫描行数和帧频，即仍分为525/60(59.94)系统和625/50系统。数字高清电视制式的扫描行数为1125行，也有1080/60(59.94)i和1080/50i之分。第五节彩色电视监视器彩色电视机是实现电-光转换的设备，不同制式的电视机其主要区别在于解码电路的不同。随着晶体管集成度的不断提高，组成每台电视机的芯片也不同，但其主要原理是相似的。下面将以PAL制为例介绍电视机的接收原理。一、显示器件电视接收机是电视系统的终端设备，它的核心器件是用于图像显示的显示器件。显示器件的作用是将代表景物光像的电信号还原成与景物光像一致的光像。常用的显示器件主要有显像管、等离子显示屏和液晶显示屏三种，使用最广泛的是显像管。显像管是一种电真空器件。它主要由电子枪和荧光屏等组成。1．黑白显像管如图1-5-1所示，电视图像信号E经传输被送到显像管的控制栅极去调制电子束，使电子束的能量被改变，即使其轰击荧光屏的发光强弱受到图像信号的控制。在屏幕上显示的图像，其各像素的亮度都正比例于所摄图像各对应点的亮度，因而在屏幕上就重现出原图像。2．彩色显像管现代重现彩色图像用的显像管是利用空间混色法制成的。图2-5-3示出一种三枪三束荫罩式彩色显像管。这种管子主要由品字形安置的三个电子枪和荧光屏组成。荧光屏上布满了三色荧光点。这些荧光点以红、绿、蓝各一个点组成一组，并以每点作为顶点排成等边三角形。如图1-5-2（a）所示。在荧光屏幕后面装有一金属荫罩板，上面布满小孔，每个孔都对应一组三色点；图1-5-2（b）和（c）分别为单枪三束管和自会聚管。品字排列的三个电子枪分别受红、绿、蓝三个基色信号激励，发出的三条电子束会聚在荫罩板的小孔内，穿过小孔又分别轰击到对应的红、绿、蓝荧光点上。由于三个点距离很近，人眼的分辨力又有限，所以每组所发出的彩色光给人以三点混合色的感觉。而混合色的性质则取决于三个电子束所携带能量的大小，也就是取决于三个信号电压ER、EG、EB。三色荧光点的亮度分别与被摄图像三基色光像的相应象素的亮度成比例，于是在荧光屏上重现发射端的彩色图像。图1-5-2彩色显像管3．液晶显示器液晶显示器，或称LCD（LiquidCrystalDisplay），为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低。它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。早在19世纪末，奥地利植物学家就发现了液晶，即液态的晶体，也就是说一种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种排列特性。在电场的作用下，液晶分子的排列会产生变化，从而影响到它的光学性质，这种现象叫做电光效应。利用液晶的电光效应，英国科学家在上世纪制造了第一块液晶显示器即LCD。今天的液晶显示器中广泛采用的是定线状液晶，如果我们微观去看它，会发现它特象棉花棒。与传统的CRT（阴极射线管）相比，LCD不但体积小，厚度薄，重量轻、耗能少、工作电压低且无辐射，无闪烁并能直接与CMOS集成电路匹配。液晶显示屏每个像素的构造如图1-5-3所示。液晶显示屏的每个像素由以下几个部分构成：悬浮于两个透明电极（氧化铟锡）间的一列液晶分子层，两边外侧有两个偏振方向互相垂直的偏振过滤片。如果没有电极间的液晶，光通过其中一个偏振过滤片其偏振方向将和第二个偏振片完全垂直，因此被完全阻挡了。但是如果通过一个偏振过滤片的光线偏振方向被液晶旋转，那么它就可以通过另一个偏振过滤片。液晶对光线偏振方向的旋转可以通过静电场控制，从而实现对光的控制。液晶分子极易受外加电场的影响而产生感应电荷。将少量的电荷加到每个像素或者子像素的透明电极产生静电场，则液晶的分子将被此静电场诱发感应电荷并产生静电扭力，而使液晶分子原本的旋转排列产生变化，因此也改变通过光线的旋转幅度。改变一定的角度，从而能够通过偏振过滤片。在将电荷加到透明电极之前，液晶分子的排列被电极表面的排列决定，电极的化学物质表面可作为晶体的晶种。在最常见的TN型（TwistedNematic，扭曲向列型）LCD中，液晶上下两个电极垂直排列。液晶分子螺旋排列，通过一个偏振过滤片的光线在通过液芯片后偏振方向发生旋转，从而能够通过另一个偏振片。在此过程中一小部分光线被偏振片阻挡，从外面看上去是灰色。将电荷加到透明电极上后，液晶分子将几乎完全顺着电场方向平行排列，因此透过一个偏振过滤片的光线偏振方向没有旋转，光线被完全阻挡了。此时像素看上去是黑色。通过控制电压，可以控制液晶分子排列的扭曲程度，从而达到不同的灰度。图1-5-3冷阴极灯管背光的液晶显示屏的构造图1-LCD技术也是根据电压的大小来改变亮度，每个LCD的子图元显示的颜色取决于色彩筛检程序。由于液晶本身没有颜色，所以用滤色片产生各种颜色，而不是子图元，子图元只能通过控制光线的通过强度来调节灰阶，只有少数主动矩阵显示采用模拟信号控制，大多数则采用数字信号控制技术。大部分数字控制的LCD都采用了八位控制器，可以产生256级灰阶。每个子图元能够表现256级，那么你就能够得到2563种色彩，每个图元能够表现16,777,216种成色。因为人的眼睛对亮度的感觉并不是线性变化的，人眼对低亮度的变化更加敏感，所以这种24位的色度并不能完全达到理想要求，工程师们利用脉冲电压调节的方法以使色彩变化看起来更加统一。彩色LCD中，每个像素分成三个单元，或称子像素，附加的滤光片分别标记红色，绿色和蓝色。三个子像素可独立进行控制，对应的像素便产生了成千上万甚至上百万种颜色，如图1-5-4所示。近年来迅速普及的LED背光技术，它用LED代替了传统液晶的荧光背光模组。高亮度，而且可以在寿命范围内实现稳定的亮度和色彩表现。更宽广的色域（超过NTSC和EBU色域），实现更艳丽的色彩。实现LED功率控制很容易，不像CCFL的最低亮度存在一个门槛。因此，无论在明亮的户外还是全黑的室内，用户都很容易把显示设备的亮度调整到最悦目的状态。因为采用了固态发光器件，LED背光源对环境的适应能力非常强，所以LED的使用温度范围广、低电压、耐冲击。而且LED光源没有任何射线产生，低电磁辐射、无汞可谓是绿色环保光源。LED液晶电视有省电、环保、色彩更真实的优势。响应时间是液晶显示器的一个特殊指标。液晶显示器的响应时间指的是显示器各像素点对输入信号反应的速度，响应时间短，则显示运动画面时就不会产生影像拖尾的现象。这一点在玩游戏、看快速动作的影像时十分重要。足够快的响应时间才能保证画面的连贯。目前，液晶显示器的响应时间就已经缩短到了5ms。LCD液晶显示器的分辨率为：320240、640480、800600、1024768、19201080及以上的分辨率，常用的大小有7.5"、10.0"、10.4"、12.3"、15"、17"、23"、42"甚至现在的55"等。颜色有黑白，伪彩，512色，16位色，24位色等。4．等离子体显示器PDP的全称是PlasmaDisplayPanel，中文叫等离子显示器。等离子体显示器又称电浆显示器，是继CRT、LCD后的新一代显示器，其特点是厚度极薄，分辨率佳。可以当家中的壁挂电视使用，占用极少的空间。等离子体显示技术有如下两大优势：可以制造出超大尺寸的平面显示器（50英寸甚至更大）；与阴极射线管显示器不同，它没有弯曲的视觉表面，从而使视角扩大到了160度以上。另外，等离子体显示器的分辨率等于甚至超过传统的显示器，所显示图像的色彩也更亮丽，更鲜艳。等离子体显示技术（PlasmaDisplay)的基本原理是这样的：显示屏上排列有上千个密封的小低压气体室（一般都是氙气和氖气的混合物），电流激发气体，使其发出肉眼看不见的紫外光，这种紫外光碰击后面玻璃上的红、绿、蓝三色荧光体，它们再发出我们在显示器上所看到的可见光。换句话说，利用惰性气体（Ne、He、Xe等）放电时所产生的紫外光来激发彩色荧光粉发光，然后将这种光转换成人眼可见的光。等离子显示器采用等离子管作为发光元器件，大量的等离子管排列在一起构成屏幕，每个等离子对应的每个小室内都充有氖氙气体。在等离子管电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产生紫外光激发平板显示屏上的红、绿、蓝三原色荧光粉发出可见光。每个等离子管作为一个像素，由这些像素的明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度和彩色的图像，与显像管发光很相似。从工作原理上讲，等离子体技术同其它显示方式相比存在明显的差别，在结构和组成方面领先一步。其工作原理类似普通日光灯和电视彩色图像，由各个独立的荧光粉像素发光组合而成，因此图像鲜艳、明亮、干净而清晰。另外，等离子体显示设备最突出的特点是可做到超薄，可轻易做到40英寸以上的完全平面大屏幕，而厚度不到100毫米（实际上这也是它的一个弱点：即不能做得较小。目前成品最小只有42英寸，只能面向大屏幕需求的用户，和家庭影院等方面）。依据电流工作方式的不同，等离子体显示器可以分为直流型（DC）和交流型（AC）两种，而目前研究的多以交流型为主，并可依照电极的安排区分为二电极对向放电（ColumnDischarge）和三电极表面放电（SurfaceDischarge）两种结构。图1-5-5给出三电极表面放电等离子体显示屏的工作原理。它采用类似荧光灯管的发光机理，一个显示单元包含三个子单元，分别用来激发红、绿、蓝光。图1-5-5等离子体显示屏发光机理等离子体显示器具有体积小、重量轻、无X射线辐射的特点，由于各个发光单元的结构完全相同，因此不会出现CRT显像管常见的图像几何畸变。等离子体显示器屏幕亮度非常均匀，没有亮区和暗区，不像显像管的亮度——屏幕中心比四周亮度要高一些，而且，等离子体显示器不会受磁场的影响，具有更好的环境适应能力。等离子体显示器屏幕也不存在聚焦的问题，因此，完全消除了CRT显像管某些区域聚焦不良或使用时间过长开始散焦的毛病；不会产生CRT显像管的色彩漂移现象，而表面平直也使大屏幕边角处的失真和色纯度变化得到彻底改善。同时，其高亮度、大视角、全彩色和高对比度，意味着等离子体显示器图像更加清晰，色彩更加鲜艳，感受更加舒适，效果更加理想，令传统显示设备自愧不如。与LCD液晶显示器相比，等离子体显示器有亮度高、色彩还原性好、灰度丰富、对快速变化的画面响应速度快等优点。由于屏幕亮度很高，因此可以在明亮的环境下使用。另外，等离子体显示器视野开阔，视角宽广（达160度），能提供格外亮丽、均匀平滑的画面和前所未有的更大观赏角度。当然，由于等离子体显示器的结构特殊也带来一些弱点。比