第三章之一、兼容制电视编码原理

1、浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞13.1.1 亮度信号和色差信号亮度信号和色差信号 浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞2 3.1 兼容制彩色电视机编码原理兼容制彩色电视机编码原理 兼容兼容是是指彩色电视机能够指彩色电视机能够收看收看黑白电视节黑白电视节目，黑白目，黑白电视机也电视机也能够看彩色电视节目。能够看彩色电视节目。满足兼容的条件：满足兼容的条件：（1）彩色电视机必须用与黑白电视机）彩色电视机必须用与黑白电视机相同的相同的调制方法和基本参数，如图像、伴音的调制方式，调制方法和基本参数，如图像、伴音的调制方式，扫描频率和方式，信号的带宽等等。扫描频率和方式，信号的带宽等等。（2）

2、彩电各摄像管得到的）彩电各摄像管得到的三个基色电信号需三个基色电信号需要转换成一个亮度信号和一个色度信号。要转换成一个亮度信号和一个色度信号。 上述两个信号再加上同步、消隐信号等信号上述两个信号再加上同步、消隐信号等信号合成为彩色全电视信号合成为彩色全电视信号FBAS。（频带宽度要在（频带宽度要在6MHZ范围内，色度信号相互干扰尽量要小等等）范围内，色度信号相互干扰尽量要小等等）浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞3 1. 亮度信号及亮度方程式亮度信号及亮度方程式: 彩电的亮度信号可以用亮度方程来表述：彩电的亮度信号可以用亮度方程来表述： EY=0.3ER+0.59EG+0.11EB其中：其

3、中： EY亮度信号电平，亮度信号电平， ER红色分量电平，红色分量电平， EG绿色分量电平，绿色分量电平， EB蓝色分量电平。蓝色分量电平。 3.1.1 亮度信号和色差信号亮度信号和色差信号PPT7浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞4 以彩条图案为例，若以彩条图案为例，若各种颜色的饱和度各种颜色的饱和度为为100，则根据各彩条颜色，根据三基色则根据各彩条颜色，根据三基色原理，可求得相应三基色电信号值，再把亮原理，可求得相应三基色电信号值，再把亮度方程中有关的分量值度方程中有关的分量值ER，EG，EB代入亮度代入亮度方程式，可求出各彩条对应的亮度值方程式，可求出各彩条对应的亮度值EY。根根据

4、表据表2.2中的数值，可画出彩条图案中的中的数值，可画出彩条图案中的ER，EG，EB 和和EY波形。波形。 彩条顺序：彩条顺序： 白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑。白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑。 PPT7浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞5 以白条为例，当以白条为例，当EREGEB1时，从亮度方程得到时，从亮度方程得到EY 0.3+0.59+0.11=1。此时对应的各色差信号均为。此时对应的各色差信号均为0: EREyEGEyEBEY1-1=0 黄条图案仅由红、绿分量组成，黄条图案仅由红、绿分量组成，EREG1，无兰色成分，无兰色成分，EB=0。黄条亮度信号的幅值为：。黄条亮度信号的幅值为

5、： EY=0.3ER+0.59EG=0.3+0.59=0.89 而黄色条的色差信号而黄色条的色差信号: ER-Y=EREy1-0.89=0.11 EG-Y =EGEy1-0.89=0.11 EB-Y =EBEY0-0.89=0.89 其余色条的其余色条的EY，EREy，EGEy，EBEY的电信号值依此的电信号值依此类推。类推。 各彩条相应的波形图见图各彩条相应的波形图见图2.10。PPT7PPT7浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞6红红绿绿蓝蓝亮度信号亮度信号幅度幅度红色差红色差蓝色差蓝色差绿色差绿色差PPT5图图2.10 彩条图案的基色、亮度和色差信号波形图彩条图案的基色、亮度和色差信号

6、波形图浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞7表2.2 彩条图案相应电信号值PPT6浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞82. 色差信号色差信号 用基色信号减去亮度信号就可以获得色差信号用基色信号减去亮度信号就可以获得色差信号，其中仅包含，其中仅包含色调和饱和度成分。色调和饱和度成分。 色差信号基本方程组：色差信号基本方程组： 红色差：红色差： EREyERy0.70ER0.59EG0.11EB 推导：推导： EREy ER（0.3ER+0.59EG+0.11EB） =（1-0.3）ER-0.59EG-0.11EB 绿色差：绿色差： EGEyEGY0.30ER0.41EG0.11EB 蓝色差

7、：蓝色差： EBEYEBY 0.30ER0.59EG 0.89EB 根据上面的公式，每个色差信号都可由另两个合成得到。根据上面的公式，每个色差信号都可由另两个合成得到。由于绿色差信号由于绿色差信号EGY比其它两个色差信号幅度小，为保证传比其它两个色差信号幅度小，为保证传送信号的信噪比，送信号的信噪比，彩电中只传送红色色差和蓝色色差信号。彩电中只传送红色色差和蓝色色差信号。 若需要绿色差若需要绿色差EGY，可用亮度方程求得：，可用亮度方程求得： EGY（0.30/0.59）ERy（0.11/0.59）EBY 推导：推导： 亮度方程亮度方程 EY=0.3ER+0.59EG+0.11EB 0.3EY

8、+0.59EY+0.11EY=0.3ER+0.59EG+0.11EB 0.3(EREy)+0.59(EGEy)+0.11(EBEY)=0 -0.59 EGY =0.30 ERy +0.11 EBY浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞93. 编码矩阵电路：编码矩阵电路： 三基色信号输入编码矩阵电路，就可以得到两个三基色信号输入编码矩阵电路，就可以得到两个色差和一个合成的亮度信号。色差和一个合成的亮度信号。 图图2.11 编码矩阵电路图编码矩阵电路图PPT33浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞10 4、频带压缩与大面积着色原理：、频带压缩与大面积着色原理： 由于人眼对色彩细节的分辨率远低于黑

9、白的由于人眼对色彩细节的分辨率远低于黑白的分辨率，所以对色差信号而言，只需传送图像的分辨率，所以对色差信号而言，只需传送图像的轮廓轮廓大面积部分，而不必传送细节，这就是大面积部分，而不必传送细节，这就是大面积着色原理。大面积着色原理。 我国电视标准规定，用我国电视标准规定，用06MHZ带宽带宽传送亮度信号，用较窄的频带传送亮度信号，用较窄的频带01.3MHZ传传送色差信号，用亮度信号的高频成分来代替送色差信号，用亮度信号的高频成分来代替色差信号未被传送的高频成分，以保证清晰色差信号未被传送的高频成分，以保证清晰度，这就叫度，这就叫高频混合高频混合原理。原理。浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏

10、飞11 3.1.2 正交平衡调幅制正交平衡调幅制NTSC制制 NTSC制与制与SECAM制、制、PAL制这三种制式之间制这三种制式之间的的主要差别是色差信号对副载波调制方法不同。主要差别是色差信号对副载波调制方法不同。 1. 频谱交错原理频谱交错原理 亮度信号虽然占据亮度信号虽然占据6MHZ带宽，但其带宽，但其能量只集能量只集中中在行频的在行频的n整倍数整倍数及其谐波频率附近及其谐波频率附近（见图（见图2.12），在（），在（n1/2） 附近并无亮度信号的能量。附近并无亮度信号的能量。因此，可以把因此，可以把色度信号安插到亮度信号谱线中的空色度信号安插到亮度信号谱线中的空隙处，达到频谱交错的目

11、的，隙处，达到频谱交错的目的，可以在可以在0-6MHz的频带的频带内同时传送亮度信号和色度信号。这内同时传送亮度信号和色度信号。这需要用需要用移动信移动信号频谱的调幅号频谱的调幅方法实现。方法实现。Hf浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞12 图图2.12 亮度信号谱线亮度信号谱线浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞13 2. 平衡调幅平衡调幅 根据调幅原理，若根据调幅原理，若调制信号为：调制信号为： 载波信号为：载波信号为：则则Es被被E1调幅后，幅度信号表达式为：调幅后，幅度信号表达式为：式中式中第一项是载波分量，第一项是载波分量，并不包含要传送的信息内并不包含要传送的信息内容，在容，

12、在传送时可以抑制掉。传送时可以抑制掉。 第二项是调制乘积，包含需要移频以及传送的信第二项是调制乘积，包含需要移频以及传送的信息。我们把息。我们把抑制掉载波分量的调幅方式称为平衡调幅，抑制掉载波分量的调幅方式称为平衡调幅， 这种这种平衡调幅波的表达式：平衡调幅波的表达式： （25）1111(cos)coscoscoscosAmsmmSsmmEEEttEstEtst11coscosAmsEEtt111cosmEEtcosSSmsEEt浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞14 为何要采用平衡调幅呢？为何要采用平衡调幅呢？ 在彩电中，用在彩电中，用平衡调幅来实现亮度信号和色度信平衡调幅来实现亮度信号

13、和色度信号的频谱交错，号的频谱交错，不但不但减少了色度信号的功率，而且还减少了色度信号的功率，而且还大大减少了载波对亮度信号的干扰。大大减少了载波对亮度信号的干扰。 为了实现频谱交错，载波为了实现频谱交错，载波fs的选择应满足半行频的选择应满足半行频选取原理：选取原理： (2-6) 为为使色度信号对亮度的干扰最小，载波频率使色度信号对亮度的干扰最小，载波频率fs应应选在亮度频带的高端，选在亮度频带的高端，同时为了使调幅后的色度信号同时为了使调幅后的色度信号高频端仍落在高频端仍落在6MHZ带宽内。带宽内。1/2(1/2)sHHHfnffnf浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞15 fs又不能选

14、得太高。根据频谱分析，如果在式又不能选得太高。根据频谱分析，如果在式（2-6）中取）中取n=283，可以使色度信号的插入对亮度，可以使色度信号的插入对亮度信号的干扰基本可以忽略。按此可以得到载波频率：信号的干扰基本可以忽略。按此可以得到载波频率： fs=(n+1/2)fH=283.5*15625=4.43MHZ （2-7） 使使fs安插在亮度频谱安插在亮度频谱283fH和和284fH这两个主谱线中间，这两个主谱线中间，而其它而其它色度信号的主谱线色度信号的主谱线fsfH，fs2fH， 就都就都落在亮度信号的空隙中。落在亮度信号的空隙中。 色度信号的总频带宽度为色度信号的总频带宽度为: 4.43

15、MHZ1.3MHZ=3.13MHZ5.73MHZ 由于载波由于载波fs的作用是为了把色度信号频谱向亮度的作用是为了把色度信号频谱向亮度信号频带的高处搬，以实现频谱交错，所以常把信号频带的高处搬，以实现频谱交错，所以常把fs称称为副载波。为副载波。浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞16 3.正交平衡调幅制正交平衡调幅制 由于一个副载波要调制红、兰两个色差信号，由于一个副载波要调制红、兰两个色差信号，而又不应相互干扰，所以而又不应相互干扰，所以采用正交法采用正交法来实现。即来实现。即把把两个色差信号平衡调幅在频率相同，相位差两个色差信号平衡调幅在频率相同，相位差90的副的副载波上，然后合成一个

16、已调制信号输出，该调幅方载波上，然后合成一个已调制信号输出，该调幅方式称为正交平衡调幅。式称为正交平衡调幅。 设副载波设副载波cosst的振幅为的振幅为1，两个正交平衡调，两个正交平衡调幅后的已调色差信号分别为：幅后的已调色差信号分别为： ERy cos st 和和 EBy sin st 则合成后的信号称为色度信号：则合成后的信号称为色度信号： (2-8)22c o ss in()()s in ()s in ()RYsBYsRYBYsmsFEtEtEEtFt浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞17图图2.13 正交平衡调幅矢量图正交平衡调幅矢量图浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞18 F

17、=Fmsin（st+） 正交平衡调幅波的正交平衡调幅波的振幅振幅Fm决定了彩色的决定了彩色的饱和度，饱和度，相角相角tag1(ERY/EBY)是色差信号的相对比是色差信号的相对比例，决定了彩色的例，决定了彩色的色调。色调。 100彩条信号中各彩色所对应的矢量振幅彩条信号中各彩色所对应的矢量振幅（色饱和度）和相角（色调）见表（色饱和度）和相角（色调）见表2.3。把正交平衡调幅后所得的把正交平衡调幅后所得的色度信号色度信号F和亮度和亮度信号信号EY混合相加，混合相加，就得到就得到 彩色视频信号彩色视频信号e： (2-9) 彩色视频信号大小亦见表彩色视频信号大小亦见表2.3。sin()YYmseEF

18、EFt浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞19表表2.3 各彩色所对应矢量的振幅（色饱和度）和相角（色调）各彩色所对应矢量的振幅（色饱和度）和相角（色调）浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞20 4. 色度信号幅度的压缩色度信号幅度的压缩（图（图2.14） 从表从表2.3可知，白色电平幅度为可知，白色电平幅度为1，黑色电平为，黑色电平为0，而而黄色条的最高电平黄色条的最高电平Ey+Fm=1.79，超过白电平超过白电平79%，蓝条的最低电平为蓝条的最低电平为0.79，比同步电平还低。，比同步电平还低。由于由于色度色度信号过大易产生失真失步，信号过大易产生失真失步，必须进行必须进行色度信号幅度

19、的相色度信号幅度的相对压缩，对压缩，但亮度信号幅度不需要压缩，以达到较好的兼但亮度信号幅度不需要压缩，以达到较好的兼容效果。容效果。规定压缩后的两个色差信号分别用规定压缩后的两个色差信号分别用U、V表示。表示。 蓝色差压缩系数蓝色差压缩系数0.493，压缩后蓝色差，压缩后蓝色差U0.493EBY 红色差压缩系数红色差压缩系数0.877，压缩后红色差，压缩后红色差V0.877ERY 压缩后的彩条波形见图压缩后的彩条波形见图2.14，对应图，对应图2.10中的波形中的波形EBY和和ERY ，其幅度明显减少一定的比例。，其幅度明显减少一定的比例。 压缩后的彩色矢量图见图压缩后的彩色矢量图见图2.15

20、。PPT19浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞21图图2.10 彩条图案的基色、亮度和色差信号波形彩条图案的基色、亮度和色差信号波形压缩调制后的红色度压缩调制后的红色度信号分量信号分量Fv=Vcoswst压缩调制后的兰色压缩调制后的兰色度信号分量度信号分量Fu=Usinwst合成的色度信号合成的色度信号亮度信号亮度信号色度亮度色度亮度压缩的红色差压缩的红色差V0.877ER-Y压缩的兰色差压缩的兰色差U0.493EB-Y浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞22蓝蓝图图2.15 压缩后的彩色矢量图压缩后的彩色矢量图浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞23 5.色同步信号色同步信号 因蓝、

21、红信号用平衡调幅方式正交调制在同一频率因蓝、红信号用平衡调幅方式正交调制在同一频率副载波上，在副载波上，在接收端接收端必须有一个与发送端副载波严格同必须有一个与发送端副载波严格同频、同相的副载波信号，通过同步分解，分别将频、同相的副载波信号，通过同步分解，分别将U、V信号还原出来。信号还原出来。 但因在发送端平衡调幅中将副载波抑制掉了，所但因在发送端平衡调幅中将副载波抑制掉了，所以以发送端发送端必须再必须再传送一个副载波信号作频率基准，传送一个副载波信号作频率基准，供接供接收端恢复副载波用，这就是收端恢复副载波用，这就是色同步信号。色同步信号。 色同步信号由色同步信号由911个周期的副载波正弦

22、波信号组个周期的副载波正弦波信号组成（见图成（见图2.16 ），它位于行消隐脉冲的后肩上，起始），它位于行消隐脉冲的后肩上，起始于距行同步脉冲前沿滞后于距行同步脉冲前沿滞后5.6us处，其峰值和行同步幅处，其峰值和行同步幅值相等，相位和值相等，相位和Fu信号反相，即信号反相，即 Fb=Fbmsin(st+180) (1-15) 标准的负极性彩色全电视信号波形见图标准的负极性彩色全电视信号波形见图2.17。PPT25浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞24图图2.16 色同步信号色同步信号PPT23浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞25图图2.17 标准彩条彩色全电视信号波形标准彩条彩色全

23、电视信号波形信号知识信号知识121015浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞263.1.3逐行倒相正交平衡调幅制逐行倒相正交平衡调幅制PAL制制1.逐行倒相和相位失真的补偿逐行倒相和相位失真的补偿 NTSC制的缺点是相位畸变大，存在色调失真。制的缺点是相位畸变大，存在色调失真。PAL制是在制是在NTSC制上发展而来，将其中一个已制上发展而来，将其中一个已调色差信号调色差信号FV=VCOSst进行进行逐行倒相逐行倒相，以减少色，以减少色差信号的相位失真。差信号的相位失真。PAL制色度信号为：制色度信号为： (2-14) 逐行倒相减少相位失真的原理见图逐行倒相减少相位失真的原理见图2.18(打开

24、打开PPT27）。只要色度相位）。只要色度相位畸变不太大，利用人畸变不太大，利用人眼的生理混色特点，就觉察不出色调变化。眼的生理混色特点，就觉察不出色调变化。sincosssFUtVt浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞27图图2.18 相位失真的补偿相位失真的补偿浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞28 设被传送的色度信号设被传送的色度信号F第第n行的色度矢量为行的色度矢量为Fn，第第（n1）行的色度矢量）行的色度矢量Fn+1，因为因为Fv分量被倒相，如分量被倒相，如无相位失真，将处于以图无相位失真，将处于以图2.18中中U轴为对称轴的轴为对称轴的Fn镜像镜像位置上。若在传送过程中因某种

25、原因使第位置上。若在传送过程中因某种原因使第n行的行的Fn出现出现相位失真，产生相位失真，产生的偏离变成的偏离变成Fn n，由于逐行倒相由于逐行倒相，第（第（n+1n+1）行的）行的Fn+1n+1也因相位失真将产生同样的也因相位失真将产生同样的的偏离变成的偏离变成Fn+1n+1。接收时，也要进行逐行倒相，把倒。接收时，也要进行逐行倒相，把倒相的这一行的相的这一行的Fn+1n+1还原，变成还原，变成F“n+1“n+1。显然，。显然，Fn n和和 F”n+1”n+1正好处于对称地位于正好处于对称地位于Fn两旁。只要两旁。只要不是太不是太大，大，利用人眼的生理混色特点，将产生它们的平均效果，利用人眼

26、的生理混色特点，将产生它们的平均效果，即得到原来的色调，补偿了相位失真。即得到原来的色调，补偿了相位失真。 当相位误差较大时平均视觉效果将会变差，较理想当相位误差较大时平均视觉效果将会变差，较理想的方法的方法可采用延迟线将一行已调色差信号延迟一行时间，可采用延迟线将一行已调色差信号延迟一行时间，然后与当前行相加，来实现把相邻两行的色度信号加以然后与当前行相加，来实现把相邻两行的色度信号加以平均，平均，实践表明，采用延时线可使相位失真容限扩大到实践表明，采用延时线可使相位失真容限扩大到40。PPT32浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞292. PAL制副载波频率的选择制副载波频率的选择 由于

27、红色差信号由于红色差信号Fv分量采用逐行倒相，分量采用逐行倒相，PAL制色度信号表达式为：制色度信号表达式为： 为避免色度为避免色度Fv与亮度与亮度Y间引起串扰，间引起串扰，PAL制制采用采用1/4行频原则，选取副载波频率：行频原则，选取副载波频率： 这样可使已调色差信号这样可使已调色差信号Fu、Fv的谱线正好的谱线正好间置在间置在Y主谱线两边（图主谱线两边（图2.19）。）。 为了减少副载波干扰的能见度，副载波频率还为了减少副载波干扰的能见度，副载波频率还应加半场频（应加半场频（Fv=50Hz），若取），若取N283，则：，则：sincosUVssFFFUtVt(1/2 1/4)sHfnf(

28、1/2 1/4)1/2283.7525 4.43361875sHvHfnfffMHz浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞30图图2.19 1/4间置时的间置时的Y、Fu、Fv频谱分布频谱分布浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞31 我们把不倒相的行称为我们把不倒相的行称为NTSC行，倒相行，倒相的行称为的行称为PAL行。行。图图2.20 PAL制色同步信号制色同步信号浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞323.PAL制编码器编码过程制编码器编码过程（图（图2.21） 将三基色电信号将三基色电信号ER、EG、EB编制成彩编制成彩色全电视信号色全电视信号FBAS的过程称为编码过程。的过程称为

29、编码过程。（1）ER、EG、EB三基色信号通过编码矩三基色信号通过编码矩阵电路变换成亮度信号阵电路变换成亮度信号EY和色差信号和色差信号ER-Y，EB-Y；（2）将）将EY放大，与行、场同步和消隐信号放大，与行、场同步和消隐信号ES混合，延时混合，延时0.6us，送信号混合电路；，送信号混合电路；（3）将色差信号）将色差信号ER-Y,EB-Y进行幅度和频率进行幅度和频率压缩，得到红色差信号压缩，得到红色差信号V和兰色差信号和兰色差信号U；浙江大学信电实验中心音像实验室 陈鹏飞33复合同步消隐信号复合同步消隐信号色度分量和色度分量和色同步分量色同步分量亮度消隐亮度消隐彩色全彩色全电视信电视信号号色度色度色同步色同步逐行倒逐行倒相开关相开关图图2.21