第2章彩色电视制式与

1、第第2章章 彩色电视制式与彩色电视制式与 彩色电视信号彩色电视信号2.1 兼容制传送方式兼容制传送方式2.2 亮度信号与色差信号亮度信号与色差信号2.3 色度信号与色同步信号色度信号与色同步信号2.4 NTSC制色差信号及编、解码过程制色差信号及编、解码过程2.5 PAL制及其编、解码过程制及其编、解码过程2.6 SECAM制及其编、解码过程制及其编、解码过程2.1 兼容制传送方式兼容制传送方式 2.1.1 兼容的必备条件 要实现彩色与黑白电视兼容,彩色电视应满足以下基本条件: (1)所传送的电视信号中应有亮度信号和色度信号两部分。 (2)彩色电视信号通道的频率特性应与黑白电视通道频率特性基本

2、一致,而且应该有相同的频带宽度、图像载频和伴音载频。 (3)彩色电视与黑白电视应有相同的扫描方式及扫描频率,相同的辅助信号及参数。 (4)应尽可能地减小黑白电视机收看彩色节目时的彩色干扰,以及彩色电视中色度信号对亮度信号的干扰。 2.1.2 大面积着色原理 电视图像的水平清晰度是和信号的频带宽度成正比的。水平清晰度每增加80线,相当于视频带宽增加1MHz。因而可用6MHz带宽传送亮度信号,而用窄带传送色度信号。 2.1.3 频谱交错原理 图21 亮度与色度信号的频谱交错 2.2 亮度信号与色差信号亮度信号与色差信号2.2.1 亮度、色差与R、G、B的关系 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)的情况下,可以容易地按照下述步骤求得(G-Y)。由 Y=0.3Y+0.59Y+0.11Y (23) Y=0.3R+0.59G+0.11B (24) 用式(24)减去式(23),得 0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y)=0 则0.30.11(

4、)()0.51()0.19()0.590.59GYRYBYRYBY (25) 接收端由矩阵电路把收到的(R-Y)和(B-Y),按式(25)恢复出(G-Y),然后再以矩阵电路使之分别与Y信号相加,从而恢复出三基色。即 (R-Y)+Y=R (26a) (B-Y)+Y=B (26b) (G-Y)+Y=G (26c) 在传送黑白电视信号时,因色度信号为零,R、G、B应相等。设R=G=B=Ex,则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) 这就说明,对于黑白电视信号,反

5、映色调与饱和度(即色度)的色差信号为零,且亮度Y的电压值与三个基色电压值相等,即 Y=R=G=B 比如传送饱和黄色,则可知R=G=1,B=0,其亮度信号和色差信号分别为 Y=0.31+0.591+0.110=0.89 R-Y=1-0.89=0.11 B-Y=0-0.89=-0.89 可见此时(R-Y)和(B-Y)不再为零。 于是根据式(26),用于重现彩色图像的三基色信号分别为: Rd=(R-Y)t+Yt Bd=(B-Y)t+Yt Gd=-0.51(R-Y)t-0.19(B-Y)t+Yt 因为不计入显像管失真,所以显示的亮度Yd将为 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)图22 100%幅度,100%饱和度彩条信号 (a)彩条图像; (b)三基色电压; (c)亮度信号; (d)色差信号 2.2.2 标准彩条亮度与色差信号的波形与特点 标准彩条信号是由彩条信号发生器产生的一种测试信号。 标准彩条信号有多种规范,图22给出的波形称为“100%幅度、100%饱和度”彩条信号。对于这种规范,白条对应的电平为1(即100%),黑条对应的电平为0,三基色信号的电平非1即0,由其显示的彩色均为饱和色。 由式(21)和式(22)可求得100%幅度

7、,100%饱和度彩条信号中各条相应的亮度信号和色差信号电平,其值列入表21。 表21 100%幅度、100%饱和度彩条三基色、亮度、色差电平值 图23 75%幅度、100%饱和度彩条信号波形 彩条信号由四位数码命名时,其百分比幅度和饱和度可分别计算如下: minmaxm n1() 100%100%aWEEEE饱和度%幅度%= (29) (210) 式中,Emax和Emin分别对应彩条R、G、B的最大值和最小值;EW为白条所对应的R、G、B的幅度。表22 75%幅度、100%饱和度标准彩条三基色、亮度、色差电平值2.3 色度信号与色同步信号色度信号与色同步信号 2.3.1 色度信号的形成 在NT

8、SC制中,它是将正交调幅与平衡调幅结合起来,将两个色差信号分别对正交的两个副载波进行平衡调幅,由此得到已调信号,称其为色度信号。 1.平衡调幅 所谓平衡调幅,是指抑制载波的一种调制方式。它与普通调幅不同之处在于,平衡调幅不输出载波,现举例加以说明。 设:调制信号为u=Ucost,载波信号为us=Uscosst,则调幅后形成的一般调幅波为1()cos(cos)coscoscoscos11coscos()cos()22sssssssssssuUutUUttUtUttUtUtUt(211) 式(211)说明,普通调幅波的频谱是由载频s和两个边频(s+)、(s-)三个分量组成的,如图24(a)所示,其

9、波形如图25(c)所示。 图24 调幅波频谱 (a)普通调幅; (b)平衡调幅 图25 调幅波波形 (a)调制信号;(b)载波;(c)AM波;(d)平衡调幅波 平衡调幅抑制了载波分量,使得调幅波中没有Uscosst一项,因而其表达式变为2coscos11cos()cos()22sssuUttUtUt(212) 由式(212)及图25(d)可以看出,平衡调幅波的特点是: (1)平衡调幅波的幅度与调制信号幅度的绝对值成正比。 (2)调幅信号为正值时,平衡调幅波与载波同相;调制信号电压为负值时,平衡调幅波与载波反相。 2. 正交调幅 将两个调制信号分别对频率相等、相位相差90的两个正交载波进行调幅,

10、然后再将这两个调幅信号进行矢量相加,从而得到的调幅信号称为正交调幅信号,这一调制方式称正交调幅。 3.色度信号的形成 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(见本章2.4节)。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(R-Y)和(B-Y)的关系是 U=0.493(B-Y) (213) V=0.877(R-Y) (214) 式中,0.493和0.877称为色差信号的压缩系数。压缩后的色差信号分别对两个正交副载波sinSCt和cosSCt进行平衡调幅,从而得到两个平衡调幅信号 FU=UsinSCt (215) FV=

11、VcosSCt (216) 这两个平衡调幅信号频率相等,相差90,保持着正交关系,将二者相加便得到正交平衡调幅的色度信号 F=UsinSCt+VcosSCt (217) F常被称为已调色差信号或色度信号。F亦可用矢量表示,称彩色矢量,如图26所示。 由图26可见,色度信号的振幅和相角分别为22arctanmFUVVU(218) (219) 图26 彩色矢量图 图27 正交平衡调幅色度信号形成方框图 2.3.2 同步检波原理 同步检波可解调出色差信号,还可由数学分析加以证明。 对于U同步检波,色度信号F与sinSCt相乘: 2sin(sincos)sinsincossin11cos2sin222

12、2SCSCSCSCSCSCSCSCSCFtUtVttUtVttVUUtt(220) 图28同步检波原理(a)方框图; (b)开关控制示意图 图28同步检波原理(a)方框图; (b)开关控制示意图 2.3.3色同步信号 色同步信号的幅度与同步脉冲幅度相等,若以h表示同步脉冲幅度,Fb表示色同步信号,则 色同步信号与彩色电视信号一起传送到接收端,彩色电视机将其从彩色全电视信号中分离出来,由此去控制接收机的副载波发生器,使之产生与发送端副载波同频、同相的恢复副载波。 sin()2bSChFt(221) 图29 同步检波器波形分析 图210 色同步信号 2.3.4 彩条对应的信号波形及矢量图 根据表2

13、1所列彩条信号参数,利用公式 可分别求得白、黄、青、绿、品、红、蓝、黑所对应的亮度信号、色差信号、色度信号,及亮度与色度的合成信号数据如表23所示。据此绘出的各信号波形如图211所示。22()()mFRYBY表23 未压缩彩条信号有关数据 图211100%幅度彩条波形图 (a)Y+Fb+s信号; (b)色度信号F; (c)Y+F+Fb+s信号 图211100%幅度彩条波形图 (a)Y+Fb+s信号; (b)色度信号F; (c)Y+F+Fb+s信号 设(B-Y)和(R-Y)压缩系数分别为x1和x2,则压缩后黄、青视频信号幅度应满足下式关系:221222122212()()1.330.89( 0.

14、89)(0.11)1.330.70(0.30)( 0.70)1.33Yx BYx BYxxxx 将黄彩条数据代入式(222)得: 将青彩条数据代入式(222)得由式(223)和式(224)联立求解,可得: x1=0.493 x2=0.877 表24 压缩后的彩条数据 图212 压缩后的彩条信号波形 图213 彩条色度信号矢量图 2.4 NTSC制色差信号及编、解码过程制色差信号及编、解码过程 2.4.1 I、Q色差信号 对视觉特性研究表明,人眼对红、黄之间颜色的分辨力最强;而对蓝、品之间颜色的分辨力最弱。 通过几何关系不难推得它们之间有如下关系: Q=Ucos33+Vsin33 I=U(-si

15、n33)+Vcos33 (225) 利用亮度方程及式(213)和式(214),结合式(225)关系可求出Q、I与三基色R、G、B的关系为: 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制编、解码方框图 NTSC制编、解码方框图分别如图215和图216所示。 编码器中,矩阵电路按式(226)式(228)对R、G、B信号进行线性组合,从而产生I、Q和Y信号。 载波形成电路分别输出相位为33、123、180的三个副载波,供Q调制器、I调制器和色同步平衡调制器之用。 2.

16、4.3 NTSC制的主要参数及性能 1.主要参数 对于NTSCM(美国制式),场频fV=59.94Hz(60Hz);行频fH=525fV/2=15.734kHz;每帧525行;图像信号标称带宽为4.2MHz;伴音与图像载频之差为4.5MHz;彩色副载波频率fSC=3.57954506MHz。彩色全电视信号频谱如图217所示。 图217 NTSC制彩色全电视信号频谱 2. 主要性能 (1)现有的三种兼容制彩色电视制式中,NTSC制色度信号组成方式最为简单,因而解码电路也最为简单,易于集成化,特别是,在许多场合需要对电视信号进行各种处理,因而NTSC制在实现各种处理也就简单。 (2)NTSC制中采

17、用1/2行间置,使亮度信号与色度信号频谱以最大间距错开,亮度串色影响因之减小,故兼容性好。 (3)NTSC制色度信号每行都以同一方式传送,与PAL制和SECAM制相比,不存在影响图像质量的行顺序效应。 (4)采用NTSC制一个最严重的问题,就是存在着相位敏感性,即存在着色度信号的相位失真对重现彩色图像的色调的影响。2.5 PAL制及其编、解码过程制及其编、解码过程 NTSC制根据人眼的视觉特性,采取了一些措施,较好地解决了彩色电视与黑白电视的兼容问题。 PAL是PhaseAlternationLine(逐行倒相)的缩写。它是对色度信号采用正交平衡调幅的基础上,使其中一个色度分量(FV分量)逐行

18、倒相。 2.5.1 相位失真的概念及影响 彩色电视机不可能完全正确地重现原景物的亮度、饱和度和色调,因而存在着失真。彩色图像的失真有亮度失真、饱和度失真和色调失真。 2.5.2 PAL色度信号 PAL制获得色度信号的方法,也是先将三基色信号R、G、B变换为一个亮度信号和两个色差信号,然后再用正交平衡调制的方法把色度信号安插到亮度信号的间隙之中,这些与NTSC制大体相同。 PAL色度信号的数学表达式为: F=FUFV=UsinSCtVcosSCt =Fmsin(SCt+) (229)图218 隔行扫描逐行倒相的正负号改变规律 (a)奇数帧; (b)偶数帧 图219 逐行倒相色度信号矢量图(a)任

19、一色调的色度信号; (b)彩条矢量逐行倒相情况 图220 逐行倒相实现框图 图221 逐行倒相波形关系(a)半行频方波; (b)90移相后的副载波 (c)逐行倒相输出副载波 图222 PAL色度信号频谱(a)FU分量频谱; (b)FV分量频谱; (c)色度信号F的频谱 根据傅里叶级数分析,由于K(t)是对原点对称的开关函数,可分解为一系列正弦函数之和,即 式中,m为正整数,且m只取奇数;1=2fH/2为基波角频率。由此可求得逐行倒相副载波的各频率分量为 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,可用彩色矢量图予以说明。 图223PAL克服相位敏感原理(a)相位无失真情况; (b)相位失真情况 2.5.4 PAL制副载波的选择 在彩色广播电视系统中,亮度信号和色度信号必须共同占用与黑白电视信号相同的信号带宽。 图224 PAL副载波选择分解图(a)PAL色度信号频谱图;(b)1/2行间置时的频谱结构;(c)1/4行间置时的频谱结构 使亮度信号Y与两个色度信号分量的频谱相互错开,那么nfH应满足下述关系:1()221()4HHSCSCSCHfnffffnf从而求出: 对于行频为15625Hz,场频为50Hz,标称视频带

21、宽为6MHz的系统,根据选择fSC尽量高的原则,可取式(232)中n=284,这样可以求得副载波频率为283.75fH。实际的PAL制彩电副载波为:11()25(284)254.4336187544SCHHfnfHzfHz 图225 PAL亮、色副谱线的相互关系(a)fSC=283.75fH时的谱线关系; (b)增加25Hz后的改善情况 2.5.5 PAL制色同步信号 PAL制彩色电视接收机在解调色度信号时,需要对PAL行送-cosSCt副载波,对NTSC行送+cosSCt副载波。要做到这一点,需要有一个识别PAL行与NTSC行的识别信号,即需要在发送端提供一个附加信号。 图226 PAL制色

22、同步信号 2.5.6 PAL制编、解码过程 1. PAL制编码器及编码过程 所谓编码,就是把三基色电信号R、G、B编制成彩色全电视信号FBAS的过程,编码器就是用来编码的电路。PAL制编码器的方框图如图229所示。图中给出了方框图上各点的波形。 图227 PAL制色同步信号形成方框图图228 PAL色同步信号矢量图 具体编码过程如下: (1)将经过校正的R、G、B三基色电信号通过矩阵电路,变换成亮度信号Y和色差信号(R-Y)和(B-Y)。 (2)为了减小亮度信号对色度信号的干扰,让Y信号通过一个中心频率为副载波频率fSC的陷波器并经过放大后与行、场同步及消隐信号相混合。 (3)色差信号(R-Y

23、)和(B-Y)经幅度加权和频带压缩后,得到已压缩信号U和V。 (4)色度信号F、色同步信号Fb、亮度信号Y与消隐信号A、同步信号S经混合电路后输出彩色全电视信号FBAS。图229 PAL制编码器方框图 2.5.6 PAL制编、解码过程 1. PAL制编码器及编码过程 所谓编码,就是把三基色电信号R、G、B编制成彩色全电视信号FBAS的过程,编码器就是用来编码的电路。 具体编码过程如下: (1)将经过校正的R、G、B三基色电信号通过矩阵电路,变换成亮度信号Y和色差信号(R-Y)和(B-Y)。 (2)为了减小亮度信号对色度信号的干扰,让Y信号通过一个中心频率为副载波频率fSC的陷波器并经过放大后与

24、行、场同步及消隐信号相混合。 (3)色差信号(R-Y)和(B-Y)经幅度加权和频带压缩后,得到已压缩信号U和V。 (4)色度信号F、色同步信号Fb、亮度信号Y与消隐信号A、同步信号S经混合电路后输出彩色全电视信号FBAS。图230 PALD解码器及各点波形 图231 Y与F的分离原理、波形及频谱 根据fSC=283.75fH+25Hz的关系,可以得到行周期TH与副载波周期TSC之间的关系为25283.75283.751615625HSCSCSCTTTT(233) 因此,d可选择为副载波半周期TSC/2的567倍或568倍。通常选择d为567283.52SCdSCTT 即延时线输出的副载波信号与

25、输入副载波信号相位相反。将fSC=4.43361875MHz代入式(234)求得 设输入到梳状滤波器的第n行色度信号为 F(n)=UsinSCt+VcosSCt=FU+FV (235) 则第n+1行色度信号必然为 F n+1=UsinSCt-VcosSCt=FU-FV (236)61283.563.9434.433618 10ds 根据d的选择知,延时前与延时后的副载波相位相反,若以Fn-1、Fn分别表示经延时后的相应行的色度信号,则 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行输入时,相加电路输出为 Fn+Fn-1=(FU+FV)+(-FU+FV)=2FV (239) 相减电路的输出为 Fn-Fn-1=(FU+FV)-(-FU+FV)=2FU (240)同理,在第n+1行输入时,相加电路和相减电路分别输出为: Fn+1+Fn=-2FV (241) F n+1-Fn=2FU (242) 依次类推。由式(239)式(242)明显地看出,梳状滤波器有效地分离了两个色度分量FU与FV。图232(b)和(a)分别说明了梳状滤波器的频率特性及分离前后的波形及频谱。 图232梳状滤波器方框图及分离色度信号原理(a)梳状滤波器方框图及分离的波形、频谱;(b)梳状滤波器频率特性 (3)梳状滤波器输出的FV信号经V同步解调器,输出V信号;梳状滤波器输出的FU信号经U同步解调器输出U信号。解调器输入、输出波形如图233所示。 图233 同步解调器输入、输出波形 (4)频率相同但时域错开的色度与色同步信号,经色同步选通电路,将色同步信号与色度信号分开。 (5)亮度通道输出的Y信号和色度通道输出的U、V信号同时输