第3章彩色电视基本原理

1、第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 第第3章章 彩色电视的基本原理彩色电视的基本原理 3.1 色度学的基本知识色度学的基本知识 3.2 彩色图像的分解与重现彩色图像的分解与重现 3.3 黑白、彩色电视兼容的可能性黑白、彩色电视兼容的可能性 3.4 PAL制彩色全电视信号制彩色全电视信号 3.5 彩色电视机概述彩色电视机概述 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 3.1 色度学的基本知识色度学的基本知识 图 3-1 电磁波的波谱 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 3.1.2 彩色的三要素彩色的三要素 任意一种彩色光，均可用亮度、色调和色饱和度来表示

2、， 它们又称作彩色三要素。 亮度是指彩色光对人眼所引起的明亮程度。 当光波的能量 增强时，亮度就增加；反之亦然。此外，亮度还与人眼的光谱 响应特性有关，不同的彩色光，即使强度相同，当照射同一物 体时也会产生不同的亮度。人眼对550 nm的光波，亮度感 觉最灵敏。 色调是指光的颜色。红、橙、黄、绿、青、蓝、紫分别表 示不同的色调。 它是彩色最基本的特性。 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 色饱和度是指彩色的纯度，即颜色掺入白光的程度或指 颜色的深浅程度。白光越多色饱和度越低，白光越少色饱和 度越高。白光为零，色饱和度为100%；只有白光，色饱和度 为零。 通常把色调与色饱和度通

3、称为色度。 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 3.1.3 三基色原理与混色法三基色原理与混色法 图 3-2 混色图 (a) 相加混色图； (b) 彩色三角形 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 从图3 - 2(a)得知: 红光绿光蓝光白光 红光绿光黄光 绿光蓝光青光 红光蓝光紫光 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 从配色实验证明，配出标准E白光所需R、G、B三基色光 通量之比为1 4.5907 0.0601，因此规定：光通量为1 LTW的 红光，4.5907 LTW的绿光及0.0601 LTW的蓝光各作为一个基 色单位，分别用R、G、B表示。

4、正好配出1份E 白光，其光通量为 5.6508 LTW(=11+14.5907+10.0601)。 符合“等量的 三基色可配成白色”的相加原理。 任意一种彩色光的配色方程可写为 FL=RR+GG+BB 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 其中，R、G、B表示三基色的三色系数，它们的比值决定了待 配彩色的色调。三基色各分量的光通量之代数和等于该彩色光 的光通量。 例如：R=G=1，B=0.5，则据式(3-1)有： FL=1R+1G+0.5B =0.5R+0.5G+0.5B+0.5R+0.5G 因此，该彩色光FL为0.5份E白光与0.5份黄光即呈现淡黄色，白 光与色光相等，饱和度为

5、50%，其光通量为 FL=11+14.5907+0.50.0601LTW 由于亮度正比于光通量，因此，待配彩色光的亮度等于各 混合分量亮度的代数和。 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 3.1.4 亮度方程亮度方程 显像三基色要混合成白光，所需光通量之比是由所选用的 标准白光和所选三基色的不同而决定的。目前彩色电视中， NTSC制显像三基色荧光粉配制光通量为1 lm(流明)C白光的方 程式为： Y=0.299R+0.587G+0.114B 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 由于彩色电视制式不同，所规定的标准白光和选择的显像三 基色荧光粉也不一样。 PAL制的亮

6、度方程为 Y=0.222R+0.707G+0.071B 但因NTSC制使用较早，所以PAL制中没有采用它本身的亮 度方程， 而是沿用了NTSC制的亮度方程。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。 亮度方程通常近似写成： Y=0.30R+0.59G+0.11B （3-2） 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 在亮度方程中，R、G、B前面的系数0.30、0.59、0.11分 别代表R、 G、 B三种基色对亮度所起的作用，称为可见度 系数。例如，在一个单位亮度的白光当中，红基色对白光亮 度的贡献为30%，绿基色对白光亮度的作用为59%， 蓝基色 对白

7、光亮度的贡献为11%。 当R=G=B=1时，为白光；当R、 G、B取不同的值， 可以配出各种不同的颜色，以及饱和度 不同但色调不变的颜色。 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 在彩色电视信号传输过程中，亮度信号和三基色信号以电 压的形式来代表，亮度方程可改写成电压的形式， 即 EY0.30ER+0.59EG+0.11EB 这里，EY、ER、 EG、EB各代表亮度信号、红信号、绿信 号和蓝信号的电压且分别独立，已知任意三种，可通过加、减 法矩阵电路来合成第四种。 在后述的讨论中，为了书写方便， 仍把以上四种信号电压EY、ER、EG、EB分别以Y、R、G、B来 表示。 第3章 彩色

8、电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 3.2 彩色图像的分解与重现彩色图像的分解与重现 3.2.1 彩色图像的分解彩色图像的分解 3.2.2 彩色图像的重现彩色图像的重现 如图3-3(a)所示。 在接收端，见图3-3(b)，经过传输通道，图像信号又被解 码器分解为三个基色信号去控制彩色显像管的三个电子束。 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 图 3-3 彩色电视传送的基本过程 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 3.3 黑白、彩色电视兼容的可能性黑白、彩色电视兼容的可能性 3.3.1 色度信号的编码传输色度信号的编码传输 1. 色度信号的编码色度信号的编码 重

9、要条件之一就是要求彩色全电视信号和黑白电视信号都 同样占有6 MHz的带宽。这就是说，对彩色电视来说，一般不直 接传送三个基色信号。因为单从占用频带来看，为了保证图像 清晰度， 每一基色信号带宽应与黑白图像信号相同，则三个基 色所占频带总和为18 MHz， 因此，为了达到兼容目的，彩色电 视中最好直接含有仅代表亮度信息而不含色度信息的亮度信号， 然后再选择两种基色信号。 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 对于彩色电视机而言，可将亮度信号与被选的两种基色信 号组合获得三基色信号送至彩色显像管。例如，选用Y、R、B 三种信号，G是可以通过亮度方程和已知二基色信号的值解得 的。 但

10、这样做有个很大的缺点，即亮度信号Y已经代表了被传 送彩色光的全部亮度，而R、B本身也含有亮度，这显然是多余 的， 且在传输过程中易干扰Y信号。为了克服这一缺点，一般 不选基色本身作为色度信号， 而是对基色信号进行编码，而从 基色信号中减去亮度信号，编码后的信号称为色差信号。例如， R-Y, B-Y, G-Y。 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 R-Y=R-(0.3R+0.59G+0.11B)=0.7R-0.59G-0.11B B-Y=-0.3R-0.59G+0.89B G-Y=-0.3R+0.41G-0.11B 由于G-Y信号数值较小，对改善信杂比不利，G-Y又可由R- Y和

11、B-Y通过简单的电阻矩阵合成，所以通常只传送Y，RY和 B-Y这三种信号，而不传送G-Y信号。其中，Y仅代表亮度信息， R-Y，B-Y代表色度信息。显然，这给兼容电视提供了方便与可 能。 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 2. 传送色差信号的优点传送色差信号的优点 (1) 兼容效果好 当选用Y、R-Y、B-Y三种信号时，Y仅代表被传送景物的 亮度，而不含色度。而且，当所传送的图像为黑白图片时， 色差信号均为零，因为任何黑白图片仅有亮度明暗的层次变 化，因此它们的三基色信号总是相等的。例如，传送一灰色 时，其三基色信号为R=G=B=0.4 V，它们合成的亮度信号 Y=0.4 V

12、，所以色差信号R-Y, B-Y也为零。因此，色差信号只表 示色度而不表示亮度。而且三色差信号对亮度的贡献为零。 0=0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y) 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 (2) 能够实现恒定亮度原理 所谓恒定亮度原理是指：被摄景物的亮度，在传输系统 是线性的前提下均应保持恒定，即与色差信号失真与否无关， 只与亮度信号本身的大小有关。假设某一时刻为一种偏紫的 红色，其三基色信号为R=0.7 V，G=0.4 V，B=0.5 V，由式(3- 2)，合成的Y=0.5，根据色差定义，可用矩阵电路合成得到红 色差信号和蓝色差信号为 R-Y=0.7-0

13、.5=0.2V B-Y=0.5-0.5=0 V 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 如果我们选用Y、R-Y、B-Y三种独立信号代表彩色信息， 并将它们送至接收端，再利用矩阵电路同样可以将以上三信 号相加获得R、B基色信号为0.7 V、0.5 V，同时，也可按式 (3-6)合成绿色差信号： G-Y=-0.51(R-Y)-0.19(B-Y)=-0.11 V 然后再与亮度信号Y相加得到绿基色信号为0.39 V，所恢 复的三基色信号重现的亮度仍是0.5 V。 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 在传输过程中，假若Y信号无失真仍为0.5，而色差信号受 干扰，R-Y由0.2

14、 V变为0.3 V，B-Y由0 V变为0.2 V，则它们合成 的G-Y=0.510.3-0.190.2=-0.191 V，在接收端已失真的色差 信号与未失真的亮度信号合成后形成的三基色信号为： R=(R-Y)+Y=0.3+0.5=0.8 V G=(G-Y)+Y=-0.191+0.5=0.309 V B=0.2+0.5=0.7V Y=0.30.8+0.590.309+0.110.7=0.5V 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 (3) 有利于高频混合 选用色差信号是有利于高频混合的。为了在接收端能够得 到带宽为6 MHz的三个基色信号，只要将窄带的色差信号混入一 个6 MHz全带

15、宽的亮度信号就可以达到混合高频的目的。用亮度 信号中的高频分量代替基色信号中未被传送的高频分量，可用 公式表示如下： MHzMHzMHz MHzMHzMHz MHzMHzMHzMHzMHz YBB YGG YRYYRR 63 . 13 . 1060 63 . 13 . 1060 63 . 13 . 10603 . 1060 )( 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 3.3.2 频带压缩与频谱间置频带压缩与频谱间置 在我国彩电制式中，规定色度信号带宽压缩到1.3 MHz。 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 2. 频谱间置频谱间置 (1) 亮度信号的频谱分析 图图

16、 3-4 简单图像信号波形和频谱简单图像信号波形和频谱 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 如图3-4所示的图像信号就分别是按帧频fZ重复的周期方波， 即场频脉冲或行频脉冲，其周期分别是TZ和TH，而这些方波又 可以按傅里叶级数分别展开为： ttttY ttttY HHH ZZZ 5sin 5 1 sin 3 1 sin 2 2 1 5sin 5 1 sin 3 1 sin 2 2 1 ）（ ）（ 或 mn tmnj mn ZH eCtY , )( ）（ 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 (2) 频谱间置 图 3-5 亮度与色度信号频谱间置示意图 第3章 彩色

17、电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 3. 彩色电视全射频电视信号的频域示意图彩色电视全射频电视信号的频域示意图 图 3-6 彩电电视全射频电视信号频域图 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 3.3.3 NTSC制编码的调制与解调基本原理制编码的调制与解调基本原理 图图 3-7 正交平衡调制原理正交平衡调制原理 (a) 正交平衡振幅调制方框图；正交平衡振幅调制方框图； (b) 色信号色信号F的矢量图的矢量图 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 图3-7(b)画出了色度信号F的矢量图，图中，对角线的长度 代表色度信号F的幅值，反映了色饱和度的变化，而是F的相 角

18、，反映了色调的变化，的矢量式为： YB YR YBYRF FYBYRF arctan )()( )()( 22 式中： 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 由于正交平衡调幅实际上是一个乘法器， 对于单频正 弦波的调幅信号sintcos0t来说，根据三角函数: tttt)sin( 2 1 )sin( 2 1 cossin 000 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 图 3-8 正弦波和矩形波对载波进行平衡调幅后的波形和频谱 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 矩形波调制载波后的平衡调幅波的特点是： 平衡调幅波的振幅与载波信号振幅无关，而与调制信 号

19、振幅成正比；当调制信号为零时，平衡调幅波的幅度也为 零。 因调制器实际是一个乘法器：因而当调制信号电压为 正值时，平衡调幅波与载波同相；当调制信号电压为负值时， 平衡调幅波与载波反相。当调制信号经过零点， (以周期调制 信号为标准)平衡调幅波相位变化180。 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 从高频电子技术中得知，普通调幅波的特点是： 其振幅由载波信号振幅和调制信号振幅共同决定， 当调制信号振幅为零时，普通调幅波的振幅等于载波振幅。 从频率上看， 普通调幅波仍以载波周期为周期。 调幅波的包络随调制信号而变化， 其包络代表原调 制信号。 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电

20、视基本原理 图 3-9 正交解调原理方框图 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 现以(B-Y)蓝色差解调为例，简要地分析一下解调过程。 )2cos1 ( 2 2sin 2 sin)(sincos)(sin t YB t YB tYBttYRtF SCSC SCSCSCSC 通过低通滤波器后，高频被旁通，从而获得(B-Y)/2蓝色 差信号。 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 3.3.4 PAL制彩色电视编码与解码原理制彩色电视编码与解码原理 1. 逐行倒相逐行倒相 PAL制基本上采用了NTSC制的各项技术措施，并增加了 一些技术措施来克服NTSC制中对相位失真较

21、敏感的缺点。 它 是采用色差信号(R-Y)和(B-Y)作为色度信号的两个分量。 两 个色差信号均占用01.3MHz，且幅度按百分比进行压缩， 即 )(877. 0 )(493. 0 YRV YBU VUSCSC FFtVtUFcossin 则 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 当扫描顺序为第n行时，FV=VcosSCt；当扫描顺序为n+1 行时，FV=V cos (SC+180)t，即当第n行FV的相位为90， 则第n1行的为270(或-90)，第n2行的相位又回到90 如此反复进行，而矢量FU的相位是不随扫描行序改变的，因 此，相加后色度信号的相位也是逐行改变的，其数学表达

22、式 为 )(sin cos)(sin cossin ttF tVttU ttUF SC SCkSC SCSC 式中: U V tt VUF k arctan)()( 22 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 图 3-10 逐行倒相矢量图与开关函数波形图 (a) 逐行倒相矢量图； (b) 开关函数波形图 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 图 3-11 PAL制编码的调制原理框图 2. PAL制编码的调制、制编码的调制、 解调原理解调原理 (1) PAL制编码器 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 (2) PAL制解码器 图 3-12 逐行倒相正交

23、同步解调原理 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 3. PAL制频谱间置原理制频谱间置原理 图 3-13 半行频间置的频谱和行频间置 (a) 逐相倒相后仍用半行频间置的频谱； (b) PAL制的信号频谱采用1/4行频间置 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 PAL制采用1/4行频间置，副载波频率为 MHzfffnf HHHSC 75593433. 475.283 4 1 284 4 1 实际上，为了减小副载波对亮度信号的干扰，改善兼容性， PAL制副载频附加了25 Hz，称为半场频间置，即选择 MHzHzff HSC 618433. 42575.283 第3章

24、彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 4. PAL制梳状滤波器解码原理制梳状滤波器解码原理 图 3-14 梳状滤波器的原理框图 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 由于利用超声玻璃延时线来实现红、 蓝两色度分量的分 离，因此称作延时解调器。又由于延时解调器的幅频特性是 梳状的，故又称作梳状滤波器。其解调分离原理如下： 设第n行色度信号为 tVtUF SCSCn cossin 由于V信号逐行倒相， 所以第n-1行色度信号为 tVtUF SCSCn cossin 1 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 这样，Fn-1信号经过延时器延时63.943s(约延时64

25、s)再反 相后正好和Fn同时到加法器和减法器中，经相加式相减可得: USCnn VSCnn USCnn VSCnn FtUFF FtVFF FtUFF FtVFF 2sin2)( 2cos2)( 2sin2)( 2cos2)( 1 1 1 1 同理： 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 5. 超声玻璃延时线超声玻璃延时线 超声玻璃延时线的典型参数如下： 延时时间： 63.943 s3 ns； 工作频率： 4.43 MHz1 MHz； 插入损耗： -83 dB； 工作温度： -1050； 输入输出阻抗： 390 ； 最大输入电压： 6 V。 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色

26、电视基本原理 图 3-15 五次反射片状超声延时线的结构与符号 (a) 结构； (b) 符号 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 3.4 PAL制彩色全电视信号制彩色全电视信号 3.4.1 彩色图像信号分析彩色图像信号分析 1. 三基色信号波形分析与参数三基色信号波形分析与参数 (1) 彩条图形 图3-16(b)、 (c)、 (d)分别表示R、 G、 B三基色信号。 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 图 3-16 三基色信号波形及其对应的彩条图形 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 (2) 参数介绍 彩条信号的主要参数有相对幅度、 饱和度和频带

27、宽度。 其相对幅度、饱和度的计算公式如下： %1001 %100 第三个数码 第四个数码 饱和度 第一个数码 第三个数码 相对幅度 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 2. 标准彩条的亮度与色差信号波形标准彩条的亮度与色差信号波形 由于电视台送出的彩色信号是两个色差信号和一个亮度 信号，所以可根据以上标准彩条信号的规定，利用亮度方程 算出各种规范彩条信号的Y， (R-Y)和(B-Y)。例如：在 100/0/100/0彩条中，黄色彩条对应的数据R=G=1，B=0， 算 89. 0 11. 0 89. 0011. 0159. 0130. 0 YB YR Y 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 表表 3-1 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 图图 3-17 亮度与色亮度与色 差信号波形差信号波形 第3章 彩色电视的基本原理 第3章彩色电视基本原理 3. 彩条图形的色度信号波形特点与矢量图彩条图形的色度信号波形特点与矢量图 (1) 彩