（信号与信息处理专业论文）ntscpalsecam制式的模拟电视数字解码研究与设计.pdf

摘要 摘要 从数字电视的优势以及全球掀起的数字电视热潮来看，电视的数字化是不可 逆转的趋势，我国也在加快数字电视普及的过程。然而，我国毕竟是一个拥有1 4 亿人口的发展中国家，人口大国的背景以及经济发展的不均衡注定了数字电视完 全取代模拟电视是一个漫长的过程。模拟电视还有着不小的需求，在我国的不少 地区，地面电视信号存在着数字信号和模拟信号并存的现象。更广泛地来看，全 球范围内还有大量的亚非拉等第三世界国家的数字电视发展速度更慢一些，所以 模拟电视将会更长时间地占据它们的市场。正是基于这种考虑，研究模拟电视的 数字解调还存在着一定的意义。 本论文的工作内容是设计一种数字视频解码处理器，它将采样后的数字视频 信号c v b s 、s 端子( 即y cs e p a r a t ev i d e o ) 转换成i t u 6 0 1 标准格式信号( y 、 c b 和c ，) 。输入端除了能支持模拟电视信号外，还支持数字i t u 6 5 6 接口。本文设 计的解码器是基于数字采样的方法，以数字集成电路的设计流程为主线，在考虑 硬件实现的同时，先用m a t l a b 语言和c 语言进行算法仿真，然后利用v e r i l o g 完 成f p g a 验证。 本文首先介绍了本课题的选题背景和意义及黑白电视和彩色电视( n t s c p a l s e c a m 三种制式) 的基本原理，然后完成了各种制式的解码算法设计和 v e r i l o g 实现。具体内容如下： 1 完成了基于v e r i l o g 的i t u 6 5 6 格式转i t u 6 0 1 格式的解码电路。 2 完成了n t s c p a l 制式解码的算法验证和v e r i l o g 实现。首先完成了基于 c o s t a s 环的色度副载波恢复模块，达到了 5 0 0 h z ，+ 5 0 0 h z 范围内的捕获范围和小 于l 度的静态相差。然后在研究了亮色分离各种算法的基础上，设计了3 行自适 应梳状滤波器。然后完成了色度解调和格式转换模块。在硬件实现中，用c o r d i c 算法替换查找表方法实现了n c o 以及a t a n 2 ( x ，”函数，减小了芯片面积并降低了 成本。 3 研究了s e c a m 制式的解码算法，通过了m a t l a b 和v c 仿真验证。 关键词：模拟电视；数字解码；i t u 6 5 6 ；c o s t a s 锁相环；v e r i l o g a b s t r a c t a b s t r a c t f o rt h ea d v a n t a g e so fd i g i t a lt va n di t sg l o b a l i z a t i o nf e v e r , t h ed i g i t i z a t i o no ft vi s i r r e v e r s i b l e o u rc o n t r yi sa l s oa c c e l e r a t i n gt h ep r o c e s so fp o p u l a r i z a t i o no fd i g i t a lt v h o w e v e r , a f t e ra l l ，o u rc o u n t r yi sad e v e l o p i n gc o u n t r yw i t l lap o p u l a t i o no f1 4b i l l i o n , t h ec o n t e x to ft h el a r g e s tp o p u l a t i o na n dt h ei m b a l a n c eo fe c o n o m i cd e v e l o p m e n tm e a n s i ti sal o n gp r o c e s sf o rd i g i t a lt vt o t a l l yr e p l a c i n ga n a l o gt v t h e r ei sab i gd e m a n do f a n a l o gt v t h e r ei s ac o e x i s t e n c ep h e n o m e n o no fd i g i t a la n da n a l o gt e r r e s t r i a lt v s i g n a l si nm a n yr e g i o n si nc h i n a m o r eb r o a d l y , g l o b a l l y , t h ed e v e l o p m e n tp a c eo f d i g i t a lt v i ni na s i a , a f r i c aa n dl a t i na m e r i c aa n do t h e rt h i r dw o r l dc o u n t r yi sm o r e s l o w l y , s oa n a l o gt vw i l lo c c u p y 廿l e i rm a r k e t sf o r al o n g e rt i m e b a s i n g0 nt h i s c o n s i d e r a t i o n , r e s e a r c h i n g t h ea n a l o gt vi ss i g n i f i c a n t i nt h i sp a p e r , t h ew o r kw a st od e s i g nad i g i t a lv i d e od e c o d e rp r o c e s s o r w h i c h w o u l dc o n v e r td i g i t a lv i d e os i g n a li n c l u d i n gc v b sa n ds - v i d e o ( y cs e p a r a t ev i d e o ) i n t ot h es t a n d a r di t u 6 01f o r m a ts i g n a l ( y , c ba n dc o ，i t si n p u ts u p p o r t e dn o to n l y a n a l o gt vs i g n a lb u ta l s od i g i t a li t u 6 5 6i n t e r f a c e i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no fd e c o d e r w a sb a s e do nd i g i t a lm e t h o d ，a n dt h ed e s i g nf l o wo fd i g i t a li cw a sa d o p t e d c o n s i d e r i n gt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n , t h ea l g o r i t h ms i m u l a t i o nw a sd o n ew i m m a t l a ba n dc l a n g u a g e ，a n dt h e ni tw a sv e r i f i e dw i t hv e r i l o gl a n g u a g e f i r s t l yt h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i sp r o j e c t ，a n dt h et h eb a s i cp r i n c i p l e o fb l a c k a n d - w h i t et va n dc o l o rt v ( t h r e es t a n d a r d ：n t s c p a l s e c a m ) w e r e i n t r o d u c e d t h e nt h ea l g o r i t h md e s i g na n dv e r i l o gi m p l e m e n tf o ra 1 1s t a n d a r d sw a s c o m p l e t e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed e c o d e rc i r c u i to fi t u 6 5 6 - i t u 6 01c o n v e r t e rw a sc o m p l e t e d 2 t h ea l g o r i t h ms i m u l a t i o na n dv e r i l o gi m p l e m e n tf o rn t s c p a ls t a n d a r dw a s c o m p l e t e d f i r t l yt h ec h r o m as u b c a r r i e rr e g e n e r a t i o nm o d u l ew a sd e s i g n e d ，i t sc a p t u r e r a n g ew a s - 5 0 0 h z , + 5 0 0 h z ，a n di t ss t a t i cp h a s ee r r o rw a sl e s st h a n ld e g r e e b a s e do n t h er e s e a r c ho fv a r i o u sk i n d so fl u m i n a n c ea n dc h r o m i n a n c es e p a r a t i o na l g o r i t h m s ，t h e 3l i n ea d a p t i v ec o m bf i l t e rw a sd e s i g n e d t h e nt h ec h r o m ad e c o d e ra n df o r m a t c o n v e r t o rm o d u l ew e r ec o m p l e t e d i nt h er e a l i z a t i o no fn c oa n df u n c t i o na t a n 2 ( x ，y ) t i a b s t r a c t i ni m p l e m e n to fh a r d w a r e ，l u tw a sr e p l a c e db yt h em e t h o do fc o r d i ca l g o r i t h m ，w h i c h r e d u c e dt h ec h i pa r e aa n dt h ec o s t 3 t h ed e c o d ea l g o r i t h mf o rs e c a ms t a n d a r dw a sr e s e a r c h e d ，t h es i m u l a t i o na n d v e r i f i c a t i o nw i t hm a t l a ba n dc l a n g u a g ew a sp a s s e d k e y w o r d ：a n a l o gt v ；d i g i t a ld e c o d e r ；i t u 6 5 6 ；c o s t a sp l l ；v e r i l o g i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：王垒蔓 导师签名：篁圭 日期：加0 7 年f 月客e l 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 从数字电视的优势以及全球掀起的数字电视热潮来看，电视的数字化是不可 逆转的趋势。数字电视的发展有着广阔的前景，不仅拉动制造业，促进信息化发 展，而且为广播电视的持续发展提供了极大的空间。纵观全球，在过去的几年中 世界各国都在大力发展数字电视及其相关产业，并纷纷制定各自的发展规划和推 进政策，取得了很大进展，我国也在加快数字电视普及的过程。早在2 0 0 3 年5 月， 我国广电总局就发布了我国有线电视向数字化过渡时间表【啦】，简要概括为： 2 0 0 5 年数字电视用户超过3 0 0 0 万，2 0 1 0 全国实现数字电视和数字广播的转换， 2 0 1 5 年停止播放模拟电视。其过渡计划如下： 第一阶段：到2 0 0 5 年，直辖市、东部地区地( 市) 以上城市、局部地区省会市 和部分地( 市) 级城市、西部地区部分省会市的有线电视完成向数字化过渡。 第二阶段：到2 0 0 8 年，东部地区县以上城市、中部地区地( 市) 级城市和大部 分县级城市、西部地区部分地( 市) 级以上城市和少数县级城市的有线电视基本完成 向数字化过渡。 第三阶段：到2 0 1 0 年，中部地区县级城市、西部地区大部分县以上城市的有 线电视基本完成向数字化过渡。 第四阶段：到2 0 1 5 年，西部地区县级城市的有线电视基本完成向数字化过渡。 与上述推广时间表相对照的是，2 0 0 1 年1 1 月开播的c c t v - 5 的第一套交互电 视节目，标志着中央电视台高清晰节目数字电视接收时代的开始。从2 0 0 2 年开始， 全国陆续有北京、上海、天津、重庆、江西、甘肃等十多个省市宣布开通互动式 数字电视。2 0 0 3 年在许多城市开始通过售卖机顶盒推广，遭遇“2 万台停滞现象 【3 】。2 0 0 4 年在推广过程中，青岛、佛山、杭州等城市脱颖而出，出现了三种推广 模式【4 】。2 0 0 5 年将在总结前期经验的基础上，继续探索营运推广模式。 根据广电总局的“时间表”，如果第一阶段工作顺利完成，到2 0 0 5 年年底， 我国将至少有3 0 0 0 万有线数字电视用户。虽然上述这些城市的传统模拟有线电视 用户数量接近5 0 0 0 万，但实际上，截止当年低，公开的有线数字电视用户数量仅 为1 2 0 万【4 】。2 0 0 6 年初，广电总局将目标由3 0 0 0 万用户缩减到1 0 0 0 万户。同时 电子科技大学硕士学位论文 2 0 0 8 年咨询企业易观国际曾对国内2 0 多个省、市进行调查之后指出，到当年年底 数字电视用户估计只能达到7 3 5 万【4 】。这是根据这些地方目前的用户数和当年设定 的目标计算出来的。对此，张海涛在报告中说，广电总局2 0 0 0 年制定广播影视 科技“十五 计划和2 0 1 0 年远景规划时，“我们的头脑也有些发热。“我们提 出了到2 0 0 5 年底要发展数字电视用户3 0 0 0 万，当时面对咄咄逼人的网络媒体和 “网络泡沫 ，对数字化的困难认识不足、估计不足、准备不足、研究不够。实际 上，广播影视数字化是一个非常复杂的系统工程，是个长期探索、艰苦奋斗的创 业过程 5 1 。 有业内专家表示，欧洲、亚洲的大多数国家都预计在2 0 1 0 年前后关闭模拟电 视，中国可能是参考了它们的时间表并根据中国的实际情况来制定的；这个时间 表的愿望非常好，比如可以和国际接轨，可以很好地支持2 0 0 8 年北京“数字奥运” 等【5 】。但是，有很多问题当初可能想得并不是很周到。我国毕竟是一个拥有1 4 亿 人口的发展中国家，人口大国的背景以及经济发展的不均衡注定了数字电视完全 取代模拟电视是一个漫长的过程。模拟电视节目的播放和收看还有着不小的需求， 在我国的不少地区尤其是农村地区，地面的电视信号存在着数字信号和模拟信号 并存的现象。更广泛的来看，全球范围内还有大量的亚非拉等第三世界的国家发 展速度更慢一些，所以模拟电视将会更长时间地占据它们的市场【6 ，7 1 。 模拟电视信号本来就可以被电视所接收，我们在这里可以考虑的就是如果让 其他设备来接收，这样人们就可以在其他设备上也可以看电视，这样将会有很广 阔的市场。随着微电子技术的发展，我们可以用数字化的解调技术，转化为数字 信号。比起传统的模拟电视解调方案，电视信号的数字方式解调有其本质的优点： 解码性能高、图像质量好。同时给后面的数字视频处理提供了质量比较高的数字 源。正是基于这种考虑，研究模拟电视的数字解调还存在着一定的意义。 与传统电视c r t 显示器相比，新型显示器，如模拟电视手机、p d p 、l c d 、 背投等具有体积小、分辨率高、行扫描频率高、逐行显示等优点，是目前高端电 视的主要显示器件。应用于高端电视的数字视频解码芯片、数字视频处理芯片的 设计是高水平的科研项目，目前世界上只有少数公司具有这类芯片的设计能力。 对于这类技术，目前国外的研究并未停止，而是不断优化其实现方式，获得高性 价比的芯片解决方案，从而保持商业竞争优势，得到高额的利润。具有代表性的 芯片厂家有：荷兰的p h i l i p s 公司，美国的t i 、t r i d e n t 、p i x e l w o r k s 和g e n e s i s 等公 司。它们为国内的诸多公司提供了芯片解决方案，不过其价格相当昂贵。 数字视频解码、数字视频处理芯片，为c r t 电视、小屏幕l c d 电视和高端电 2 第一章绪论 视盒提供了性价比较高的解决方案，市场前景十分广阔。当前，本领域高端市场 几乎全部被国外公司垄断，各种视频解码芯片、视频处理芯片已经广泛应用于国 内外高c r t 电视、媒体电视、l c d 电视、p d p 电视。随着电脑的普及，国内市场 正在兴起一种电脑电视产品一电视盒，有了它可以在p c 监视器上观赏高质量的 电视节目。随着高端电视产品的普及以及电脑电视一体化的推进，数字视频解码 芯片，数字视频处理芯片都将越来越普遍地得到应用。 以模拟手机电视为例【8 ，9 】。根据赛诺市场研究公司的统计，2 0 0 8 年中国市场已 有2 1 0 0 万部模拟电视手机的容量。而根据i n s t a r 的统计，2 0 0 8 年全球范围已有 3 4 0 0 万部模拟电视手机的销量。“我们认为模拟和数字的手机电视会互为补充，未 来长期( 1 5 , - - , 2 0 年) 都会处在并存的状态。现在全球只有1 的数字电视覆盖率，模 拟电视覆盖率是9 9 ，下一步模拟电视比例会下降，数字电视逐渐增加，但会长 期共存。 业内知名的半导体公司一泰景信息科技中国区总裁王瀚青表示。据介绍， 2 0 0 8 年泰景科技全球的出货量达到了1 0 0 0 万台( 模拟电视手机芯片随手机销售到 亚非拉、中东等国家和地区) ，中国为3 0 0 万台。在泰景手机电视推出之前，沙特 阿拉伯迪拜销售中国手机的代理商只有3 0 家，如今销售中国模拟电视手机的代理 商已经超过2 0 0 家。这也从另一个侧面反映出模拟手机电视的成功。 我国是电视机生产和消费大国，随着生活水平的提高，高端电视产品越来越 受到人们的青睐。我国高端电视机整机生产已经有了很大的规模，然而其核心技 术芯片仍然很大程度上依赖国外的公司。成功完成该芯片研究工作，必将推动我 国高端电视产业的发展，对提升我国电视产业的综合竞争力，节汇创汇具有重大 的经济意义和社会效益。 在这样的技术与市场的背景下，作者所在教研室和华润微电子公司合作了“电 视信号数字解码器设计”项目。该项目设计的目的是设计完成电视信号数字解码 芯片，除了用于数字处理电视机之外，还可延伸应用到数字电视机顶盒、视频投 影仪、视频监控、可视电话、可视门铃和v c d 、d v d 录像机等视频领域。 1 2 本课题的重难点分析 亮色分离和色度副载波恢复是数字视频解码中的核心技术。用一带通滤波器 还原色度信号而用色度陷波器还原亮度信号的方法和进而发展起来的2 d2 l i n e 梳 状滤波分离亮度信号和色度信号都是比较简单的算法，2 d3 l i n e 梳状滤波和3 d 梳 状滤波则是较复杂的算法。色度副载波恢复本质上是一个数字锁相环，d d s ( 直 3 电子科技大学硕士学位论文 接数字频率合成) 是色度副载波恢复的关键技术【1 0 1 。同时它们也是本论文的难点。 如果亮色分离设计不好，亮色信号相互之间会有串扰，如果亮串色，则会出 现颜色显示不对的现象，特别是在图像高频区，这种现象尤其明显；如果色串亮， 则会出现干扰光点的现象。色差信号分离不对，图像颜色也将出现偏差【1 1 , 1 2 , 1 3 】。 色度副载波恢复对锁相环的精度要求很高，如果解的不对，会出现整体偏色 的现象。因为在编码和传输中副载波可能会产生频偏和相偏。以n t s c 制式为例， 其副载波频率f o 为3 5 7 9 5 4 5 0 6 h z ，但有时会有偏移，设偏移量为觚，这里要求馘 在 5 0 0 h z ，5 0 0 h z 范围内仍能正常锁定副载波，并由n c o 产生出与副载波同频同 相的正弦波，并要求与副载波的相位差小于1 度。 本系统的技术难点归纳如下： 1 亮色分离需要处理好亮色信号的串扰问题； 2 色副载波的还原中，p l l 对偏移量为 5 0 0 h z ，+ 5 0 0 h z 范围内的副载波能够 正常锁定； 3 色副载波的还原中，n c o 产生的正弦波与副载波的相位偏差在l 度范围 内。 针对以上情况，本文采取了以下几种对应方案或者技巧： 1 采用2 d3 l i n e 的数字自适应梳状滤波的方案，能够做到既满足图像质量的 要求，硬件资源又不需要太多； 2 采用了c o s t a s 环的新型锁相环结构，并设置了两个参数p h a s e p l l 和d e l t a p h i 来分别调整n c o 的相位和频率，达到同时调整相位和频率的功能，使之锁定速度 更快。具体请见5 3 节； 3 在定点化时要采用足够的位宽，因为要保证定点化后相位误差要在1 度内， 累加相位p h a s e 至少要用( i o g z ( h _ l e n g t h 木l i n e s f r o m l a s t d p 木3 6 0 ) b i t ) 表示。这里 l e n g t h 表示一行的点数，l i n e s f r o m l a s t d p 表示调整一次相位需要累加的行数。 最大的l i n e s f r o m l a s t d p = 2 2 ，故p h a s e 至少要用2 4 b i t 。同样对于p a l 制式，p h a s e 也至少要用2 4 b i t 。这是因为要每隔( hl e n g t h 宰l i n e s f r o m l a s t d p ) 个点才鉴一 次相位，那么步长一定要小于( 1 hl e n g t h 木1 i n e s f r o m l a s t d p ) ，才能保证相隔 ( hl e n g t h * l i n e s f r o m l a s t d p ) 点后相位偏差是1 度，但步长是整数，所以至少 要放大( hl e n g t h 木1 i n e s f r o m l a l s t d p ) 倍，这是l 度，一个完整的周期是3 6 0 度， 因而还要乘上3 6 0 。p h a s e 用的b i t 数越少锁定的频率范围越小，为了能锁定频率偏 差在正负5 0 0 h z 范围，我们采用了3 2 b i t 来表示相位。也就是用2 3 2 来表示2 n ，故 程序的定点化就是把浮点程序里的2 万用2 3 2 来替换就行了。具体见5 3 节。 4 第一章绪论 1 3 本文的工作内容及结构安排 1 3 1 本文的工作内容 本论文的工作内容是设计一种数字视频解码处理器，主要功能是把数字复合 视频信号转换成多种格式的用于图像系统的信号数据，例如y i q 、y u v 和y c r c b 等。可以应用于模拟手机电视、电视盒、逐行c r t 电视、小屏幕l c d 电视等领域。 图1 1 表示出了芯片的基本用途。它将输入的模拟视频信号c v b s 、s 端子( 即 y cs e p a r a t e v i d e o ) 转换成能够显示的r g b 视频格式。除了支持模拟电视信号输 入端口外，还支持数字t u 6 5 6 接口1 1 4 1 。i t u 6 5 6 标准视频格式是全世界普遍通用 的视频接口，对它的解码尤为重要。 图1 一l 电视信号数字解码器的应用 i t u 6 0 1 视频标准【1 4 】是在国际电信联盟无线电通信部门6 0 1 5 号建议书中提出 的。它的全称是“标准4 ：3 以及宽屏1 6 ：9 的数字电视的工作室编码参数”。他提供 了一种全世界范围内通用的数字方法，对6 2 5 行系统以及5 2 5 行系统都能够应用。 i t u 6 5 6 只是数据传输接口而已，可以说是作为1 t u 6 0 1 的一个传输方式。简单的 说i t u 6 0 1 是“演播室数字电视编码参数”标准，而i t u 6 5 6 则是i t u 6 0 1 附件a 中的数字接口标准，用于主要数字视频设备( 包括芯片) 之间采用2 7 m h z 并口或 2 4 3 m 串行接口的数字传输接口标准。所以i t u 6 5 6 转i t u 6 0 1 的功能也是需要的 0 4 o 经过数字解码器输出的数字信号均为i t u 6 0 1 标准格式，可再通过编码或视频 处理后输出，也可直接输出到显示器。 目前已经有很多数字视频解码算法的解决方案，但在这些领域的研究从未停 止过。如何找寻图像质量更高、计算量更小，如何找寻更简单、性价比更高的硬 5 电子科技大学硕士学位论文 件实现仍然值得研究。本文研究了现有视频解码的算法，提出一种较好的视频解 码实现方法。本论文研究内容归纳起来主要包括以下几个方面： 1 学习电视原理、i t u 6 0 1 和i t u 6 5 6 视频格式，为数字视频解码算法的研究 与硬件实现打下了基础。 2 完成了i t u 6 5 6 转i t u 6 0 1 的解码模块。 3 完成了n t s c p a l 制式的电视解码的算法验证和v e r i l o g 实现，具体包括： 色度副载波恢复模块。采用了c o s t a s 锁相环结构，设置了频率和相位两个 控制字，能够更快速地完成副载波的锁定。硬件实现中用c o r d i c 算法代替查找表 方法实现了n c o 和a t a n 2 ( x ，y ) 函数功能。 亮色分离模块。对现有的y c 分离算法进行了对比，在此基础上设计了一 种3 行自适应滤波器，达到了很好的效果。 行场同步信号提取模块、色度解调模块和格式转换模块。 4 研究了s e c a m 制式的解码算法，完成了前期的m a t l a b 和v c 仿真。 在整个设计过程中，首先在m a t l a b 【1 5 , 1 6 和v c t l 刀( 因为v c 的效率更高) 环境 下对其进行了软件的系统仿真( 包括浮点和定点程序) ，直到定点程序能达到要求 时，再使用v e r i l o gh d l t l 8 , 1 9 , 2 0 在q u a r t u s l i 平台上进行其硬件的设计与实现。 1 3 2 本文结构安排 本文的结构安排如下： 第一章：绪论部分。主要介绍了本文的选题背景和意义、课题重难点分析、 工作内容和结构等。 第二章：电视原理概述。介绍了模拟电视的基础知识，包括黑白电视原理和 彩色电视原理( 包括n t s c 删s e c a m 三种制式) 。 第三章：对系统进行了整体规划，然后介绍了锁相环及相位估计的相关原理。 第四章：完成了基于v e r i l o g 语言的i t u 6 5 6 转i t u 6 0 1 格式的硬件设计。 第五章：从整体上对n t s c p a l 制式解码模块做了规划，包括同步信号提取、 色度副载波恢复、亮色分离、色度解调和格式转换等模块。以上模块均完成了 m a t l a b 和v c 的算法仿真和v e r i l o g 实现。 第六章：完成了基于m a t l a b 和v c 的s e c a m 制式解码模块的算法仿真。 6 第二章电视原理概述 2 1 黑白电视原理概述 第二章电视原理概述 1 电视扫描基本原理 自上世纪9 0 年代初开始，m l c c 逐步由贵金属电极时代过渡到以贱金属电极 为主的时代。自上世纪9 0 年代初开始，m l c c 逐步由贵金属电极时代过渡到电视 图像是由大量的基本单元组成的，这些基本单元称为像素。电视图像的清晰度与 逼真程度直接和像素的数目有关，像素越精细、单位面积上的像素越多，则图像 越清晰、越逼真。一帧图像的传送和重现是靠电子束经过行、场均匀扫描完成的。 所谓扫描，就是电子束在摄像管或显像管的屏面上按一定规律作周期性的运动。 在电视技术中，常用的扫描方式有逐行扫描和隔行扫描【l o l 。 所谓逐行扫描，就是电子束自上而下逐行依次进行扫描的方式。电子束作水 平方向的扫描叫行扫描，电子束作垂直方向的扫描叫场扫描。电子束在扫描的正 程时间传送和重现图像，而扫描逆程只为下次扫描正程作准备，不传送图像内容， 因此在逆程期间传送的都是消隐信号，显示为黑，不出现回扫线。电子束的行扫 描和场扫描是同时进行的，即电子束在水平扫描的同时也要进行垂直扫描，因此 在屏幕上看到的是条一条稍向下倾斜的水平亮线。 图2 1 隔行扫描原理图 隔行扫描就是把一帧图像分成两场来扫描。第一场扫描1 ，3 ，5 ，等奇数行， 7 电子科技大学硕士学位论文 形成奇数场图像；然后，进行第二场扫描时，才插入2 ，4 ，6 ，等偶数行，形成 偶数场图像。奇数场和偶数场均匀嵌套在一起，利用人眼的视觉暂留特性，人们 看到的仍是一幅完整的图像。上图2 1 示出了隔行扫描的原理图【1 1 1 。 电视技术中，都采用隔行扫描。我国电视标准规定为：帧频为2 5 h z ，一帧图 像分6 2 5 行传送，所以行扫描频率为2 5 6 2 5 = 1 5 6 2 5 h z 。行频1 5 6 2 5 h z ，行周期为 6 4 u s ，行正程为5 2 u s ，行逆程1 2 u s ，场频为5 0 h z ，场周期2 0 m s ，场正程约1 8 4 m s ， 场逆程约1 6 m s 1 2 】。 2 电视图像的基本参量 电视图像最基本的参量有亮度、对比度、灰度、视频图像信号的频带宽度、 图像清晰度以及扫描行数等。 亮度就是人眼对光的明暗程度的感觉；对比度表示图像中最亮与最暗的对比， 对比度越大，图像越清晰；灰度表示；视频图像的频带宽度表示图像的最大频率 范围，我国电视技术标准规定的图像信号的频带宽度为0 - - 6 m h z ；电视图像清晰度 是指人眼主观感觉到图像细节的清晰程度【1 2 】。 3 全电视信号 黑白电视的全电视信号包括图像信号、复合消隐信号、复合同步信号，如图 2 2 所示【1 3 】。图像信号反映了电视系统所传送图像的信息，是电视信号中的主体， 它在扫描正程期内传送。其它几种信号则是为了保证图像质量而设的辅助的、但 却是必需的信号。 第二章电视原理概述 l 鞴imi 枷1mi 瑚卜| 3 l sls t 毒1 3 1 7 卜| i i 瑚l 掰l 零望o i i 磊誓= = = = _ 儡敷场 ” 一 图2 - 2 全电视信号 如图2 3 ，复合消隐信号包括行消隐和场消隐两种信号。行消隐信号用来确保 在行扫描逆程期间显像管的扫描电子束截止，不传送图像信息；场消隐信号是使 在场扫描逆程期间扫描电子束截止，停止传送图像信息。避免在行、场回扫期间 出现回扫线13 1 。下面参数都是我国电视标准的参数。 行消隐场消隐、 图2 - 3 复合消隐信号 复合同步信号是由行同步信号、场同步信号、槽脉冲和前后均衡脉冲组成。 行同步信号在行消隐期间发送，为了便于行同步信号的分离，特使它的电平高于 消隐电平2 5 ，其宽度为4 7 u s 。场同步信号是为了保证电视机每场扫描均与发送 端保持同步，特在每场正程结束时的场消隐期间发送一个场同步信号。其电平与 行同步电平一致，脉宽为2 5 个行周期，场同步脉冲前沿滞后场消隐脉冲前沿2 5 9 电子科技大学硕士学位论文 个行周期即1 6 0 u s ，场同步信号周期为2 0 m s 。图2 _ 4 示出了行、场同步信号【1 2 1 。 图2 _ 4 行、场同步信号 由于场同步脉冲持续2 5 个行周期，如果不采取措施就会丢失2 - 3 个行同步 脉冲，使行扫描失去同步，直到场同步脉冲过后，再经过几个行周期，行扫描才 会逐渐同步，从而造成图像上边起始部分不同步。为了解决这个问题，在场同步 脉冲期间开了5 个小槽来延续行同步脉冲。如图2 2 中所示，在场同步期间的5 个小槽就是槽脉冲。 由于复合同步信号是经过积分电路将场同步信号分离出来的，而两场复合同 步信号形状不同，经积分电路后场同步脉冲输出的波形会不重合，隔行扫描要求 两场的场扫描时间必须相等，才能保证偶数场的扫描行准确地嵌套在奇数场各扫 描行之间。因此，在场同步信号的左右各加5 个脉冲，重复周期为t h 2 ，即行频 的一半，脉冲宽度为2 3 5 u s ，前5 个脉冲叫前均衡脉冲，后5 个脉冲叫后均衡脉冲。 均衡脉冲如图2 2 所示。 4 全射频电视信号的频率 jo f 降私6 5 - f 啉麓 o 。7 5 m h z i 缎獗 - - ，一1 上边倦 7 下边带 jl _o 1 2 5 l k m l z o 2 5 m h z 0 2 5 k l h z lj 图2 5 残留边带制高频电视信号的频谱 发射的时候，将全电视信号和伴音信号分别调制到比视频信号及音频信号高 得多的各自的载波上，图像信号采用调幅方式，伴音信号采用调频方式，这两种 1 0 第二章电视原理概述 高频信号在频域中保持着特定的间隔。如p a l 制，图像信号频率为0 - 、, 6 m h z ，目 前普遍采用残留边带方式传送图形信号调幅波【l l 】，如图2 5 所示。 2 2 彩色电视原理概述 1 三基色原理 自上世纪9 0 年代初开始，m l c c 逐步由贵金属电极时代过渡到以贱金属电极 为主的时代。自上世纪9 0 年代初开始，m l c c 逐步由贵金属电极时代过渡到三基 色原理是彩色电视实现的基础。实践证明，自然界可见到的各种颜色，都可以由 三个基色按一定比例混合得到；反之，任意一种颜色均可以被分解为三个基色。 作为基色的三种颜色，要相互独立，即其中任何一种色都不能由其它两种基色混 合来产生。三基色的大小决定彩色光的亮度，其三基色混合色的亮度等于各基色 亮度之和。三基色的比例决定了混合色的色调和饱和度。在彩色电视中，通常选 用红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 作为三种基色光。图2 - 6 表示出了彩色三角形的示意 图。 图2 - 6 彩色三角形 2 亮度方程与三基色的色系数 在彩色电视技术中，无论是彩色重现，还是彩色分解都必须遵守一个重要关 系式，那就是亮度方程。不同制式的亮度方程也不一样。n t s c 制的亮度方程如式 ( 2 1 ) 所示： y = 0 2 9 9 r + 0 5 8 7 g + 0 114 b ( 2 1 ) p a l 制的亮度方程如式( 2 2 ) 所示： y = 0 2 2 2 r + 0 7 0 7 g + 0 0 71b( 2 2 ) p a l 制是在n t s c 制的基础上发展起来的，所以p a l 制沿用了n t s c 制的亮 1 1 电子科技大学硕士学位论文 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。因此，亮度方程通常近似为： y = 0 3 0 r + 0 5 9 g + 0 1 1b( 2 3 ) r 、g 、b 前面的系数0 3 0 、o 5 9 、o 1 1 分别代表了r 、g 、b 三种基色对亮度 所起的作用，叫做可见度系数。 2 3 彩色电视制式 黑白电视制式通常以每帧扫描行数、每秒扫描场数、信道频带宽度以及隔行 扫描方式等作为基本技术要求和参数。对于彩色电视系统来说，除了上述有关特 点外，在发送端和接收端还必须采取某种特定的信号处理方式，从而构成了具有 不同特点的各种彩色电视制式。 从传送信号的时间关系方面来看，彩色电视制式可以分为1 1 2 】：( 1 ) 顺序制；( 2 ) 同时制；( 3 ) 顺序一同时制。按使用目的的不同，彩色电视制式可分为兼容制和 非兼容制两大类。 自从上世纪五、六十年代开始，实际用于彩色电视广播的只有属于同时制的 n t s c 制和p a l 制，以及属于顺序一同时制的s e c a m 制，它们都是兼容制式。 就n t s c 、p a l 和s e c a m 制来说，由于都采用了与黑白电视兼容的亮度信号，因 而它们之间的差别主要体现在两个色差信号对副载波的调制方式上。 2 3 1n t s c 制 n t s c ( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ) 制是1 9 5 3 年美国研制成功的一 种兼容性彩色电视制式。它将正交调幅与平衡调幅结合起来，把两个色差信号分 别对相位正交的两个副载波进行平衡调幅，得到的已调信号称为色度信号。 n t s c 制编码原理如下图2 - 7 1 。下图中是副载波频率，巳为色度信号，乞 为色同步信号。 1 2 第二章电视原理概述 图2 - 7n t s c 制编码原理图 1 n t s c 制式的色度信号 在将两个色差信号分别对两个正交的副载波进行平衡调幅之前，先对其进行 适当的幅度压缩，这是不失真传输所需要的。压缩后的色差信号分别用u 和v 表 示，它们与压缩前的色差信号的关系是： u = 0 4 9 3 ( b 一】，) v = 0 8 7 7 ( r y ) ( 2 4 a ) ( 2 4 a ) 然后，由副载波发生器产生的副载波s i i l f 经放大后直接加至u 平衡调制器， 由色差信号u 进行平衡调幅，产生平衡调幅波毛分量；同时s i n f 经过9 0 度移 相后，得到正交副载波c o s f ，然后送v 平衡调制器由色差信号v 进行调制， 产生平衡调幅波最分量，易与昂在合成器中相加得到色度信号f ( t ) ： f ( t ) = 兄+ e = u ( t ) s i n c o s c t + v ( t ) c o s c o s c t ( 2 5 ) 为进一步压缩色度信号的频带，用色差信号i 、o 分别代替色差信号v 和u ， 并且色差信号1 分量用上边带o 5 m h z 、下边带1 5 m h z 的残留边带方式传送，q 分量用双边带( o 5 m h z ) 传送，它们仅与亮度信号重迭2 m h z ，如图2 8 所示。 从而减轻了亮、色之间的干扰，同时也减轻了色度信号i 和q 之间的干扰。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 8n t s c 制式彩色全电视信号频谱图 色差信号i 、q 与色差信号v 和u 之间的关系为： q = u e o s 3 3 。牟v s i n 3 3 。 1 = u ( - s i n 3 3 。) - i - v c o s 3 3 。 u = q c o s 3 3 。- i s i n 3 3 。 v = q s i n 3 3 。+ i e o s 3 3 。 这时得到色度信号e c ( f ) ，其表达式为： 乞( f ) = q ( t ) s i n ( f + 3 3 0 ) + j ( 力c 0 s ( f + 3 3 0 ) 2 n t s c 制式的色同步信号【1 1 1 ( 2 6 a ) ( 2 6 b ) ( 2 6 c ) ( 2 6 d ) ( 2 7 ) 图2 9n t s c 制式色同步信号波形图 由于色度信号中副载波已在平衡调制时被抑制，所以在彩色电视接收机中需 要设置一个副载波产生电路( 副载波恢复电路) 。为保证所恢复副载波与发端的副 载波同频、同相，需要发端在发送彩色全电视信号的同时发出一个能反映发端副 载波频率与相位信息的“色同步信号”，以使电视接收机中的副载波恢复电路所产 生的恢复副载波与发端的副载波同步。 色同步信号波形如图2 - 9 所示。它是由8 1 2 个周期副载波组成的一小串副载 波群构成( 正弦填充脉冲) ，这个正弦填充脉冲的周期与行周期相同，位于行消隐 的后肩上，但在均衡脉冲和场同步期间无色同步信号。色同步信号的幅度与行同 1 4 第二章电视原理概述 步脉冲幅度相等，相对于行消隐电平上、下对称。若以h 表示同步脉冲幅度，表 示色同步信号，则有 l 吃( f ) = 号( s i n c o s c t + 1 8 0 。) ( 2 - 8 ) 厶 3 n t s c 制式的主要参数及特点【1 1 】 以n t s c m ( 美国制式) 为例，其主要参数为：场频力= 6 0 h z ；行频 厶= 5 2 5 x 厶2 = 1 5 7 3 4 k h z ：每帧5 2 5 行；图像信号标称带宽为4 2 m h z ；彩色副 载波频率厶