第2章彩色電視制式與

1、第第2章章 彩色電視制式與彩色電視制式與 彩色電視信號彩色電視信號2.1 兼容制傳送方式兼容制傳送方式2.2 亮度信號與色差信號亮度信號與色差信號2.3 色度信號與色同步信號色度信號與色同步信號2.4 NTSC制色差信號及編、解碼過程制色差信號及編、解碼過程2.5 PAL制及其編、解碼過程制及其編、解碼過程2.6 SECAM制及其編、解碼過程制及其編、解碼過程2.1 兼容制傳送方式兼容制傳送方式 2.1.1 兼容的必備條件 要實現彩色與黑白電視兼容,彩色電視應滿足以下基本條件: (1)所傳送的電視信號中應有亮度信號和色度信號兩部分。 (2)彩色電視信號通道的頻率特性應與黑白電視通道頻率特性基本

2、一致,而且應該有相同的頻帶寬度、圖像載頻和伴音載頻。 (3)彩色電視與黑白電視應有相同的掃描方式及掃描頻率,相同的輔助信號及參數。 (4)應盡可能地減小黑白電視機收看彩色節(jié)目時的彩色干擾,以及彩色電視中色度信號對亮度信號的干擾。 2.1.2 大面積著色原理 電視圖像的水平清晰度是和信號的頻帶寬度成正比的。水平清晰度每增加80線,相當于視頻帶寬增加1MHz。因而可用6MHz帶寬傳送亮度信號,而用窄帶傳送色度信號。 2.1.3 頻譜交錯原理 圖21 亮度與色度信號的頻譜交錯 2.2 亮度信號與色差信號亮度信號與色差信號2.2.1 亮度、色差與R、G、B的關系 由亮度方程知 Y=0.3R+0.59G

3、+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+0.11B)=-0.3R-0.59G+0.89B(22b)G-Y=G-(0.3R+0.59G+0.11B)=-0.3R+0.41G-0.11B(22c) 在已知(R-Y)和(B-Y)的情況下,可以容易地按照下述步驟求得(G-Y)。由 Y=0.3Y+0.59Y+0.11Y (23) Y=0.3R+0.59G+0.11B (24) 用式(24)減去式(23),得 0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y)=0 則0.30.11(

4、)()0.51()0.19()0.590.59GYRYBYRYBY (25) 接收端由矩陣電路把收到的(R-Y)和(B-Y),按式(25)恢復出(G-Y),然后再以矩陣電路使之分別與Y信號相加,從而恢復出三基色。即 (R-Y)+Y=R (26a) (B-Y)+Y=B (26b) (G-Y)+Y=G (26c) 在傳送黑白電視信號時,因色度信號為零,R、G、B應相等。設R=G=B=Ex,則利用亮度方程可求得: Y=0.3 Ex +0.59Ex+0.11 Ex =Ex (27a) R-Y= Ex - Ex =0 (27b) B-Y= Ex - Ex =0 (27c) 這就說明,對于黑白電視信號,反

5、映色調與飽和度(即色度)的色差信號為零,且亮度Y的電壓值與三個基色電壓值相等,即 Y=R=G=B 比如傳送飽和黃色,則可知R=G=1,B=0,其亮度信號和色差信號分別為 Y=0.31+0.591+0.110=0.89 R-Y=1-0.89=0.11 B-Y=0-0.89=-0.89 可見此時(R-Y)和(B-Y)不再為零。 于是根據式(26),用于重現彩色圖像的三基色信號分別為: Rd=(R-Y)t+Yt Bd=(B-Y)t+Yt Gd=-0.51(R-Y)t-0.19(B-Y)t+Yt 因為不計入顯像管失真,所以顯示的亮度Yd將為 Yd=0.3Rd+0.59Gd+0.11Bd =0.3(R-

6、Y)t+0.3Yt+-0.3(R-Y)t-0.11 (B-Y)t+0.59Yt+0.11(B-Y)t+0.11Yt =Yt (28)圖22 100%幅度,100%飽和度彩條信號 (a)彩條圖像; (b)三基色電壓; (c)亮度信號; (d)色差信號 2.2.2 標準彩條亮度與色差信號的波形與特點 標準彩條信號是由彩條信號發(fā)生器產生的一種測試信號。 標準彩條信號有多種規(guī)范,圖22給出的波形稱為“100%幅度、100%飽和度”彩條信號。對于這種規(guī)范,白條對應的電平為1(即100%),黑條對應的電平為0,三基色信號的電平非1即0,由其顯示的彩色均為飽和色。 由式(21)和式(22)可求得100%幅度

7、,100%飽和度彩條信號中各條相應的亮度信號和色差信號電平,其值列入表21。 表21 100%幅度、100%飽和度彩條三基色、亮度、色差電平值 圖23 75%幅度、100%飽和度彩條信號波形 彩條信號由四位數碼命名時,其百分比幅度和飽和度可分別計算如下: minmaxm n1() 100%100%aWEEEE飽和度%幅度%= (29) (210) 式中,Emax和Emin分別對應彩條R、G、B的最大值和最小值;EW為白條所對應的R、G、B的幅度。表22 75%幅度、100%飽和度標準彩條三基色、亮度、色差電平值2.3 色度信號與色同步信號色度信號與色同步信號 2.3.1 色度信號的形成 在NT

8、SC制中,它是將正交調幅與平衡調幅結合起來,將兩個色差信號分別對正交的兩個副載波進行平衡調幅,由此得到已調信號,稱其為色度信號。 1.平衡調幅 所謂平衡調幅,是指抑制載波的一種調制方式。它與普通調幅不同之處在于,平衡調幅不輸出載波,現舉例加以說明。 設:調制信號為u=Ucost,載波信號為us=Uscosst,則調幅后形成的一般調幅波為1()cos(cos)coscoscoscos11coscos()cos()22sssssssssssuUutUUttUtUttUtUtUt(211) 式(211)說明,普通調幅波的頻譜是由載頻s和兩個邊頻(s+)、(s-)三個分量組成的,如圖24(a)所示,其

9、波形如圖25(c)所示。 圖24 調幅波頻譜 (a)普通調幅; (b)平衡調幅 圖25 調幅波波形 (a)調制信號;(b)載波;(c)AM波;(d)平衡調幅波 平衡調幅抑制了載波分量,使得調幅波中沒有Uscosst一項,因而其表達式變?yōu)?coscos11cos()cos()22sssuUttUtUt(212) 由式(212)及圖25(d)可以看出,平衡調幅波的特點是: (1)平衡調幅波的幅度與調制信號幅度的絕對值成正比。 (2)調幅信號為正值時,平衡調幅波與載波同相;調制信號電壓為負值時,平衡調幅波與載波反相。 2. 正交調幅 將兩個調制信號分別對頻率相等、相位相差90的兩個正交載波進行調幅,

10、然后再將這兩個調幅信號進行矢量相加,從而得到的調幅信號稱為正交調幅信號,這一調制方式稱正交調幅。 3.色度信號的形成 在將兩個色差信號分別對兩個正交的副載波進行平衡調幅之前,先對其進行適當的幅度壓縮,這是不失真?zhèn)鬏斔枰?見本章2.4節(jié))。壓縮后的色差信號分別用U和V表示,它們與壓縮前的色差信號(R-Y)和(B-Y)的關系是 U=0.493(B-Y) (213) V=0.877(R-Y) (214) 式中,0.493和0.877稱為色差信號的壓縮系數。壓縮后的色差信號分別對兩個正交副載波sinSCt和cosSCt進行平衡調幅,從而得到兩個平衡調幅信號 FU=UsinSCt (215) FV=

11、VcosSCt (216) 這兩個平衡調幅信號頻率相等,相差90,保持著正交關系,將二者相加便得到正交平衡調幅的色度信號 F=UsinSCt+VcosSCt (217) F常被稱為已調色差信號或色度信號。F亦可用矢量表示,稱彩色矢量,如圖26所示。 由圖26可見,色度信號的振幅和相角分別為22arctanmFUVVU(218) (219) 圖26 彩色矢量圖 圖27 正交平衡調幅色度信號形成方框圖 2.3.2 同步檢波原理 同步檢波可解調出色差信號,還可由數學分析加以證明。 對于U同步檢波,色度信號F與sinSCt相乘: 2sin(sincos)sinsincossin11cos2sin222

12、2SCSCSCSCSCSCSCSCSCFtUtVttUtVttVUUtt(220) 圖28同步檢波原理(a)方框圖; (b)開關控制示意圖 圖28同步檢波原理(a)方框圖; (b)開關控制示意圖 2.3.3色同步信號 色同步信號的幅度與同步脈沖幅度相等,若以h表示同步脈沖幅度,Fb表示色同步信號,則 色同步信號與彩色電視信號一起傳送到接收端,彩色電視機將其從彩色全電視信號中分離出來,由此去控制接收機的副載波發(fā)生器,使之產生與發(fā)送端副載波同頻、同相的恢復副載波。 sin()2bSChFt(221) 圖29 同步檢波器波形分析 圖210 色同步信號 2.3.4 彩條對應的信號波形及矢量圖 根據表2

13、1所列彩條信號參數,利用公式 可分別求得白、黃、青、綠、品、紅、藍、黑所對應的亮度信號、色差信號、色度信號,及亮度與色度的合成信號數據如表23所示。據此繪出的各信號波形如圖211所示。22()()mFRYBY表23 未壓縮彩條信號有關數據 圖211100%幅度彩條波形圖 (a)Y+Fb+s信號; (b)色度信號F; (c)Y+F+Fb+s信號 圖211100%幅度彩條波形圖 (a)Y+Fb+s信號; (b)色度信號F; (c)Y+F+Fb+s信號 設(B-Y)和(R-Y)壓縮系數分別為x1和x2,則壓縮后黃、青視頻信號幅度應滿足下式關系:221222122212()()1.330.89( 0.

14、89)(0.11)1.330.70(0.30)( 0.70)1.33Yx BYx BYxxxx 將黃彩條數據代入式(222)得: 將青彩條數據代入式(222)得由式(223)和式(224)聯(lián)立求解,可得: x1=0.493 x2=0.877 表24 壓縮后的彩條數據 圖212 壓縮后的彩條信號波形 圖213 彩條色度信號矢量圖 2.4 NTSC制色差信號及編、解碼過程制色差信號及編、解碼過程 2.4.1 I、Q色差信號 對視覺特性研究表明,人眼對紅、黃之間顏色的分辨力最強;而對藍、品之間顏色的分辨力最弱。 通過幾何關系不難推得它們之間有如下關系: Q=Ucos33+Vsin33 I=U(-si

15、n33)+Vcos33 (225) 利用亮度方程及式(213)和式(214),結合式(225)關系可求出Q、I與三基色R、G、B的關系為: Y=0.30R+0.59G+0.11B (226) Q=0.21R-0.52G+0.31B (227) I=0.60R-0.28G-0.32B (228) 2.4.2 NTSC制編、解碼方框圖 NTSC制編、解碼方框圖分別如圖215和圖216所示。 編碼器中,矩陣電路按式(226)式(228)對R、G、B信號進行線性組合,從而產生I、Q和Y信號。 載波形成電路分別輸出相位為33、123、180的三個副載波,供Q調制器、I調制器和色同步平衡調制器之用。 2.

16、4.3 NTSC制的主要參數及性能 1.主要參數 對于NTSCM(美國制式),場頻fV=59.94Hz(60Hz);行頻fH=525fV/2=15.734kHz;每幀525行;圖像信號標稱帶寬為4.2MHz;伴音與圖像載頻之差為4.5MHz;彩色副載波頻率fSC=3.57954506MHz。彩色全電視信號頻譜如圖217所示。 圖217 NTSC制彩色全電視信號頻譜 2. 主要性能 (1)現有的三種兼容制彩色電視制式中,NTSC制色度信號組成方式最為簡單,因而解碼電路也最為簡單,易于集成化,特別是,在許多場合需要對電視信號進行各種處理,因而NTSC制在實現各種處理也就簡單。 (2)NTSC制中采

17、用1/2行間置,使亮度信號與色度信號頻譜以最大間距錯開,亮度串色影響因之減小,故兼容性好。 (3)NTSC制色度信號每行都以同一方式傳送,與PAL制和SECAM制相比,不存在影響圖像質量的行順序效應。 (4)采用NTSC制一個最嚴重的問題,就是存在著相位敏感性,即存在著色度信號的相位失真對重現彩色圖像的色調的影響。2.5 PAL制及其編、解碼過程制及其編、解碼過程 NTSC制根據人眼的視覺特性,采取了一些措施,較好地解決了彩色電視與黑白電視的兼容問題。 PAL是PhaseAlternationLine(逐行倒相)的縮寫。它是對色度信號采用正交平衡調幅的基礎上,使其中一個色度分量(FV分量)逐行

18、倒相。 2.5.1 相位失真的概念及影響 彩色電視機不可能完全正確地重現原景物的亮度、飽和度和色調,因而存在著失真。彩色圖像的失真有亮度失真、飽和度失真和色調失真。 2.5.2 PAL色度信號 PAL制獲得色度信號的方法,也是先將三基色信號R、G、B變換為一個亮度信號和兩個色差信號,然后再用正交平衡調制的方法把色度信號安插到亮度信號的間隙之中,這些與NTSC制大體相同。 PAL色度信號的數學表達式為: F=FUFV=UsinSCtVcosSCt =Fmsin(SCt+) (229)圖218 隔行掃描逐行倒相的正負號改變規(guī)律 (a)奇數幀; (b)偶數幀 圖219 逐行倒相色度信號矢量圖(a)任

19、一色調的色度信號; (b)彩條矢量逐行倒相情況 圖220 逐行倒相實現框圖 圖221 逐行倒相波形關系(a)半行頻方波; (b)90移相后的副載波 (c)逐行倒相輸出副載波 圖222 PAL色度信號頻譜(a)FU分量頻譜; (b)FV分量頻譜; (c)色度信號F的頻譜 根據傅里葉級數分析,由于K(t)是對原點對稱的開關函數,可分解為一系列正弦函數之和,即 式中,m為正整數,且m只取奇數;1=2fH/2為基波角頻率。由此可求得逐行倒相副載波的各頻率分量為 141( )sinKmtmtm(230) 11211( )cossin()sin() KSCSCSCmmttmtmtmm(231) 2.5.3

20、 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,可用彩色矢量圖予以說明。 圖223PAL克服相位敏感原理(a)相位無失真情況; (b)相位失真情況 2.5.4 PAL制副載波的選擇 在彩色廣播電視系統(tǒng)中,亮度信號和色度信號必須共同占用與黑白電視信號相同的信號帶寬。 圖224 PAL副載波選擇分解圖(a)PAL色度信號頻譜圖;(b)1/2行間置時的頻譜結構;(c)1/4行間置時的頻譜結構 使亮度信號Y與兩個色度信號分量的頻譜相互錯開,那么nfH應滿足下述關系:1()221()4HHSCSCSCHfnffffnf從而求出: 對于行頻為15625Hz,場頻為50Hz,標稱視頻帶

21、寬為6MHz的系統(tǒng),根據選擇fSC盡量高的原則,可取式(232)中n=284,這樣可以求得副載波頻率為283.75fH。實際的PAL制彩電副載波為:11()25(284)254.4336187544SCHHfnfHzfHz 圖225 PAL亮、色副譜線的相互關系(a)fSC=283.75fH時的譜線關系; (b)增加25Hz后的改善情況 2.5.5 PAL制色同步信號 PAL制彩色電視接收機在解調色度信號時,需要對PAL行送-cosSCt副載波,對NTSC行送+cosSCt副載波。要做到這一點,需要有一個識別PAL行與NTSC行的識別信號,即需要在發(fā)送端提供一個附加信號。 圖226 PAL制色

22、同步信號 2.5.6 PAL制編、解碼過程 1. PAL制編碼器及編碼過程 所謂編碼,就是把三基色電信號R、G、B編制成彩色全電視信號FBAS的過程,編碼器就是用來編碼的電路。PAL制編碼器的方框圖如圖229所示。圖中給出了方框圖上各點的波形。 圖227 PAL制色同步信號形成方框圖圖228 PAL色同步信號矢量圖 具體編碼過程如下: (1)將經過校正的R、G、B三基色電信號通過矩陣電路,變換成亮度信號Y和色差信號(R-Y)和(B-Y)。 (2)為了減小亮度信號對色度信號的干擾,讓Y信號通過一個中心頻率為副載波頻率fSC的陷波器并經過放大后與行、場同步及消隱信號相混合。 (3)色差信號(R-Y

23、)和(B-Y)經幅度加權和頻帶壓縮后,得到已壓縮信號U和V。 (4)色度信號F、色同步信號Fb、亮度信號Y與消隱信號A、同步信號S經混合電路后輸出彩色全電視信號FBAS。圖229 PAL制編碼器方框圖 2.5.6 PAL制編、解碼過程 1. PAL制編碼器及編碼過程 所謂編碼,就是把三基色電信號R、G、B編制成彩色全電視信號FBAS的過程,編碼器就是用來編碼的電路。 具體編碼過程如下: (1)將經過校正的R、G、B三基色電信號通過矩陣電路,變換成亮度信號Y和色差信號(R-Y)和(B-Y)。 (2)為了減小亮度信號對色度信號的干擾,讓Y信號通過一個中心頻率為副載波頻率fSC的陷波器并經過放大后與

24、行、場同步及消隱信號相混合。 (3)色差信號(R-Y)和(B-Y)經幅度加權和頻帶壓縮后,得到已壓縮信號U和V。 (4)色度信號F、色同步信號Fb、亮度信號Y與消隱信號A、同步信號S經混合電路后輸出彩色全電視信號FBAS。圖230 PALD解碼器及各點波形 圖231 Y與F的分離原理、波形及頻譜 根據fSC=283.75fH+25Hz的關系,可以得到行周期TH與副載波周期TSC之間的關系為25283.75283.751615625HSCSCSCTTTT(233) 因此,d可選擇為副載波半周期TSC/2的567倍或568倍。通常選擇d為567283.52SCdSCTT 即延時線輸出的副載波信號與

25、輸入副載波信號相位相反。將fSC=4.43361875MHz代入式(234)求得 設輸入到梳狀濾波器的第n行色度信號為 F(n)=UsinSCt+VcosSCt=FU+FV (235) 則第n+1行色度信號必然為 F n+1=UsinSCt-VcosSCt=FU-FV (236)61283.563.9434.433618 10ds 根據d的選擇知,延時前與延時后的副載波相位相反,若以Fn-1、Fn分別表示經延時后的相應行的色度信號,則 Fn-1=-F n-1=-(UsinSCt-VcosSCt)=-FU+FV (237) Fn=-Fn=-(UsinSCt+VcosSCt)=-FU-FV (23

26、8) 由此可以求得,第n行輸入時,相加電路輸出為 Fn+Fn-1=(FU+FV)+(-FU+FV)=2FV (239) 相減電路的輸出為 Fn-Fn-1=(FU+FV)-(-FU+FV)=2FU (240)同理,在第n+1行輸入時,相加電路和相減電路分別輸出為: Fn+1+Fn=-2FV (241) F n+1-Fn=2FU (242) 依次類推。由式(239)式(242)明顯地看出,梳狀濾波器有效地分離了兩個色度分量FU與FV。圖232(b)和(a)分別說明了梳狀濾波器的頻率特性及分離前后的波形及頻譜。 圖232梳狀濾波器方框圖及分離色度信號原理(a)梳狀濾波器方框圖及分離的波形、頻譜;(b)梳狀濾波器頻率特性 (3)梳狀濾波器輸出的FV信號經V同步解調器,輸出V信號;梳狀濾波器輸出的FU信號經U同步解調器輸出U信號。解調器輸入、輸出波形如圖233所示。 圖233 同步解調器輸入、輸出波形 (4)頻率相同但時域錯開的色度與色同步信號,經色同步選通電路,將色同步信號與色度信號分開。 (5)亮度通道輸出的Y信號和色度通道輸出的U、V信號同時輸