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(shí)現(xiàn)彩色與黑白電視兼容,彩色電視應(yīng)滿足以下基本條件: (1)所傳送的電視信號中應(yīng)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(yīng)與黑白電視通道頻率特性基本

2、一致,而且應(yīng)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(yīng)有相同的掃描方式及掃描頻率,相同的輔助信號及參數(shù)。 (4)應(yīng)盡可能地減小黑白電視機(jī)收看彩色節(jié)目時(shí)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(dāng)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(cuò)原理 圖21 亮度與色度信號的頻譜交錯(cuò) 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(guān)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(fù)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(fù)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(shí),因色度信號為零,R、G、B應(yīng)相等。設(shè)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(diào)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(gè)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(shí)(R-Y)和(B-Y)不再為零。 于是根據(jù)式(26),用于重現(xiàn)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?yàn)椴挥?jì)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(biāo)準(zhǔn)彩條亮度與色差信號的波形與特點(diǎn) 標(biāo)準(zhǔn)彩條信號是由彩條信號發(fā)生器產(chǎn)生的一種測試信號。 標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的電平為1(即100%),黑條對應(yīng)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(yīng)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(shù)碼命名時(shí),其百分比幅度和飽和度可分別計(jì)算如下: minmaxm n1() 100%100%aWEEEE飽和度%幅度%= (29) (210) 式中,Emax和Emin分別對應(yīng)彩條R、G、B的最大值和最小值;EW為白條所對應(yīng)的R、G、B的幅度。表22 75%幅度、100%飽和度標(biāo)準(zhǔn)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(diào)幅與平衡調(diào)幅結(jié)合起來,將兩個(gè)色差信號分別對正交的兩個(gè)副載波進(jìn)行平衡調(diào)幅,由此得到已調(diào)信號,稱其為色度信號。 1.平衡調(diào)幅 所謂平衡調(diào)幅,是指抑制載波的一種調(diào)制方式。它與普通調(diào)幅不同之處在于,平衡調(diào)幅不輸出載波,現(xiàn)舉例加以說明。 設(shè):調(diào)制信號為u=Ucost,載波信號為us=Uscosst,則調(diào)幅后形成的一般調(diào)幅波為1()cos(cos)coscoscoscos11coscos()cos()22sssssssssssuUutUUttUtUttUtUtUt(211) 式(211)說明,普通調(diào)幅波的頻譜是由載頻s和兩個(gè)邊頻(s+)、(s-)三個(gè)分量組成的,如圖24(a)所示,其

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

10、然后再將這兩個(gè)調(diào)幅信號進(jìn)行矢量相加,從而得到的調(diào)幅信號稱為正交調(diào)幅信號,這一調(diào)制方式稱正交調(diào)幅。 3.色度信號的形成 在將兩個(gè)色差信號分別對兩個(gè)正交的副載波進(jìn)行平衡調(diào)幅之前,先對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆葔嚎s,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(guān)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(shù)。壓縮后的色差信號分別對兩個(gè)正交副載波sinSCt和cosSCt進(jìn)行平衡調(diào)幅,從而得到兩個(gè)平衡調(diào)幅信號 FU=UsinSCt (215) FV=

11、VcosSCt (216) 這兩個(gè)平衡調(diào)幅信號頻率相等,相差90,保持著正交關(guān)系,將二者相加便得到正交平衡調(diào)幅的色度信號 F=UsinSCt+VcosSCt (217) F常被稱為已調(diào)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(diào)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(diào)出色差信號,還可由數(shù)學(xué)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(guān)控制示意圖 圖28同步檢波原理(a)方框圖; (b)開關(guān)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(jī)將其從彩色全電視信號中分離出來,由此去控制接收機(jī)的副載波發(fā)生器,使之產(chǎn)生與發(fā)送端副載波同頻、同相的恢復(fù)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(yīng)的信號波形及矢量圖 根據(jù)表2

13、1所列彩條信號參數(shù),利用公式 可分別求得白、黃、青、綠、品、紅、藍(lán)、黑所對應(yīng)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(shù)據(jù)如表23所示。據(jù)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(guān)數(shù)據(jù) 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(shè)(B-Y)和(R-Y)壓縮系數(shù)分別為x1和x2,則壓縮后黃、青視頻信號幅度應(yīng)滿足下式關(guān)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(shù)據(jù)代入式(222)得: 將青彩條數(shù)據(jù)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(shù)據(jù) 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(qiáng);而對藍(lán)、品之間顏色的分辨力最弱。 通過幾何關(guān)系不難推得它們之間有如下關(guān)系: Q=Ucos33+Vsin33 I=U(-si

15、n33)+Vcos33 (225) 利用亮度方程及式(213)和式(214),結(jié)合式(225)關(guān)系可求出Q、I與三基色R、G、B的關(guān)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(jìn)行線性組合,從而產(chǎn)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(gè)副載波,供Q調(diào)制器、I調(diào)制器和色同步平衡調(diào)制器之用。 2.

16、4.3 NTSC制的主要參數(shù)及性能 1.主要參數(shù) 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(biāo)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(xiàn)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(jìn)行各種處理,因而NTSC制在實(shí)現(xiàn)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(cuò)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(zhì)量的行順序效應(yīng)。 (4)采用NTSC制一個(gè)最嚴(yán)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(xiàn)彩色圖像的色調(diào)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(jù)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(diào)幅的基礎(chǔ)上,使其中一個(gè)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(jī)不可能完全正確地重現(xiàn)原景物的亮度、飽和度和色調(diào),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(diào)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(gè)亮度信號和兩個(gè)色差信號,然后再用正交平衡調(diào)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(shù)學(xué)表達(dá)式為: F=FUFV=UsinSCtVcosSCt =Fmsin(SCt+) (229)圖218 隔行掃描逐行倒相的正負(fù)號改變規(guī)律 (a)奇數(shù)幀; (b)偶數(shù)幀 圖219 逐行倒相色度信號矢量圖(a)任

19、一色調(diào)的色度信號; (b)彩條矢量逐行倒相情況 圖220 逐行倒相實(shí)現(xiàn)框圖 圖221 逐行倒相波形關(guān)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(jù)傅里葉級數(shù)分析,由于K(t)是對原點(diǎn)對稱的開關(guān)函數(shù),可分解為一系列正弦函數(shù)之和,即 式中,m為正整數(shù),且m只取奇數(shù);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(shí)的頻譜結(jié)構(gòu);(c)1/4行間置時(shí)的頻譜結(jié)構(gòu) 使亮度信號Y與兩個(gè)色度信號分量的頻譜相互錯(cuò)開,那么nfH應(yīng)滿足下述關(guān)系:1()221()4HHSCSCSCHfnffffnf從而求出: 對于行頻為15625Hz,場頻為50Hz,標(biāo)稱視頻帶

21、寬為6MHz的系統(tǒng),根據(jù)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(shí)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(guān)系(a)fSC=283.75fH時(shí)的譜線關(guān)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(jī)在解調(diào)色度信號時(shí),需要對PAL行送-cosSCt副載波,對NTSC行送+cosSCt副載波。要做到這一點(diǎn),需要有一個(gè)識(shí)別PAL行與NTSC行的識(shí)別信號,即需要在發(fā)送端提供一個(gè)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(diǎn)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(jīng)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(gè)中心頻率為副載波頻率fSC的陷波器并經(jīng)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(jīng)幅度加權(quán)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(jīng)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(jīng)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(gè)中心頻率為副載波頻率fSC的陷波器并經(jīng)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(jīng)幅度加權(quán)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(jīng)混合電路后輸出彩色全電視信號FBAS。圖230 PALD解碼器及各點(diǎn)波形 圖231 Y與F的分離原理、波形及頻譜 根據(jù)fSC=283.75fH+25Hz的關(guān)系,可以得到行周期TH與副載波周期TSC之間的關(guān)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(shí)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(shè)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(jù)d的選擇知,延時(shí)前與延時(shí)后的副載波相位相反,若以Fn-1、Fn分別表示經(jīng)延時(shí)后的相應(yīng)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(shí),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(shí),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(gè)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(jīng)V同步解調(diào)器,輸出V信號;梳狀濾波器輸出的FU信號經(jīng)U同步解調(diào)器輸出U信號。解調(diào)器輸入、輸出波形如圖233所示。 圖233 同步解調(diào)器輸入、輸出波形 (4)頻率相同但時(shí)域錯(cuò)開的色度與色同步信號,經(jīng)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(shí)輸