电视原理与现代电视系统：第二章 彩色电视制式与彩色电视信号

1、第二章 彩色电视制式与彩色电视信号彩色制式： 指对彩色电视信号加工处理和传输的特定方式， 即NTSC、PAL、SECAM。假想的三基色信号传输：略。 实际运用中的广播电视的信号发送和接收：略。三大制式的区别： 对色差信号的传输和处理的方式不同。2.1 兼容制传送方式 兼容 ：黑白电视机收彩色图象 逆兼容：彩色电视机收黑白图象 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2.1.1 兼容的必要条件 1 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

2、率特性应与黑白电视通道 频率特性基本一致,而且应该有相同的频带宽度、 图像载频和伴音载频。 彩色细节失明： 人眼对黑白对比的细节有较高的分辨力，而对彩 色对比的细节分辨力较低。大面积着色原理的依据：略。 2.1.2 大面积着色原理混合高频原理： 传送彩色图像时，大面积部分同时传送亮 度信息和色度信息。而彩色的细节部分可 只用亮度信息。2.1.3 频谱交错原理彩色电视信号中色度信号和亮度信号的带宽比较。色度信号的频谱结构：略。传送方法： 将色度信号的谱线搬移，并交错地安插在黑白信 号的频谱中去。副载波选择：略。频谱交错原理： 略。2.2 亮度信号与色差信号从兼容的角度出发，为了传输彩色图像，必须

3、要传输的信号： 1、从亮度、色度方面来考虑。 2、从三基色方面来考虑。亮度方程 Y=0.3R+0.59G+0.11B（R-Y）、（B-Y）、 （G-Y）传送变量：红色差（R-Y）：0.7R-0.59G-0.11B蓝色差（B-Y）：-0.3R+0.41G-0.11B绿色差（G-Y）：-0.3R-0.59G+0.89B =-0.51(R-Y)-0.19(B-Y)色差信息：（R-Y）、（B-Y）Y、 R-Y=R-(0.3R+0.59G+0.11B)=0.7R-0.59G-0.11B B-Y=B-(0.3R+0.59G+0.11B)=-0.3R-0.59G+0.89B G-Y=G-(0.3R+0.59

4、G+0.11B)=-0.3R+0.41G-0.11B 在已知(R-Y)和(B-Y)的情况下,可求得(G-Y): Y=0.3Y+0.59Y+0.11Y Y=0.3R+0.59G+0.11B 0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y)=0在接收端，恢复三基色信号的过程： (R-Y)+Y=R (B-Y)+Y=B (G-Y)+Y=G Y=0.3Ex+0.59Ex+0.11Ex=Ex R-Y=Ex-Ex=0 B-Y=Ex-Ex=0黑白电视信号色度信号为零，R=G=B=Ex，结论： 对于黑白电视信号,反映色调与饱和度(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=

5、G=B 传送彩色图像时： 三基色电压R、G、B各不相等： 若三个值都不为零，则说明该被传送的彩色是非饱和色。 若一个或两个为零，则被传送的彩色为饱和色。例： 传送饱和黄色，则可知R=G=1，B=0， 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。注意：色差信号并不对应某一个颜色，即红色差信号并不表示红色；蓝色差信号并不表示蓝色。恒定亮度原理传送后的电视信号：Yt、(R-Y)t、(B-Y)t，显示的亮度为Yd为： Yd=0.3Rd+0.59Gd+0.11Bd =0.3(R-Y)t+0.3Y

6、t+-0.3(R-Y)t-0.11 (B-Y)t+0.59Yt+0.11(B-Y)t+0.11Yt =Yt显示端的信号为：Rd=(R-Y)t +Yt Bd=(B-Y)t+Yt Gd=-0.5(R-Y)t -0.19(B-Y)t +Yt结论： 重现图象的亮度只由传送的亮度信号决定，不论 (R-Y)t、(B-Y)t 如何变化或混入干扰，都不会影响亮度传输。色差信号在传输过程中引入的变化或混入的杂波对重现亮度信号影响并不严重。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。它是用电的方法产生的模拟彩色摄像机拍摄的光电转换信号，常用以对彩色电视系统的

7、传输特性进行测试和调整。100%幅度，100%饱和度彩条信号。三基色电压亮度信号：含直流、单极性。色差信号：交流、不含直流成分。标准彩条信号有多种规范：“100%幅度、100%饱和度”彩条信号（图22给出的波形称为）： 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,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、色差电平值缺点： 色度信号幅度较大，若与亮度信号叠加，信号动态范围过大。“75%幅度、100%饱和度

8、”彩条信号： 图23 75%幅度、100%饱和度彩条信号波形表22 75%幅度、100%饱和度标准彩条三基色、亮度、色差电平值彩条信号由四位数码命名时,其含义如下: 第一和第二个数字分别表示组成无色条（黑、白） 的R、G、B的最大值和最小值。 第三和第四个数字分别表示组成各彩条的R、G、B 的最大值和最小值。例：1000-750彩条各基色的幅度。 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: 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。2.3 色度信号与色同步信号2.3.1 色度

9、信号形成色度信号： 在NTSC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。 调制信号为: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 。调幅：载波信号为：平衡调幅：将调制信号与被调制信号相乘。平衡调幅的实质： 是一个乘法器。平衡调幅的特点：1. 平衡调幅波的幅度与调制信号幅度的绝对值成正比。与载波振幅无关。1、抑制了载波，使所需功率减少；平衡调幅的优点：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、减少副载波对亮度信号的干扰

10、。2 正交调幅合成信号即为正交平衡调幅信号：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,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。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。 FU=Usin SCt

11、(215) FV=Vcos SCt (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。 图26 彩色矢量图 色度信号的振幅和相角分别为：振幅变化时：引起饱和度变化。相位变换时：引起色调变化。正交平衡调幅色差信号形成框图副载波放大U平衡调幅V平衡调幅90度移相UVsinsctsinsctcossctFvFu2.3.2 同步检波原理U/2是解调出的色差信号，频带为01.3MHz。同样利用cossct可解调出V信号。同

12、步检波: 是利用两个色度分量FU和FV的相位差来解调出 色差信号的，也称为同步解调。同步检波原理框图90度移相乘法器F副载波恢复sinsct乘法器cossct低通滤波U低通滤波V2.3.3 色同步脉冲色同步信号： 为保证所产生的副载波与发送端的副载波同频同相，需要发端在发送彩色全电视信号时同时，发出一个能反映发端副载波频率与相位信息的信号色同步信号。色同步信号特点：与副载波同频同相接收端据此恢复副载波色同步信号出现周期和行周期相同，且位于行消隐的后肩上，行同步脉冲之后，场消隐脉冲期间不传送。2.3.4 彩条对应的信号波形及矢量图根据上表可求出亮度信号、色差信号、色度信号，及亮度与色度信号的合成

13、。表23 未压缩彩条信号有关数据 分析上表可得出： 对100%幅度来说，黑白电平变化范围应在01之间，即黑电平为0，白电平为1。表中，黄条、青条电平超出，红条、蓝条不足。 对于黑白电视标准： 同步信号的幅度： 100 黑色电平： 75 白色电平： 10 对于彩色电视中： 同步信号的幅度： 100 -0.43v 黑色电平： 76 相对视频信号的幅度：0v 白色电平： 20 1v 0% 1.36v 分析图（c）:蓝条和红条超过了黑色和同步电平，结果：破坏同 步，使重现图像不稳。 黄条和青条低于白色电平，以致小于 0 ，结果： 发射机过调，造成图像严重失真，伴音中断。解决办法： 保持亮度信号幅度不变

14、，而把色度信号幅度在调制前进行适当压缩。说明： 色度信号幅度压缩太多，会降低色度信号的信噪比。 取黑色、白色信号电平之差为1，彩条信号的最大摆 动幅度范围不超过白色与黑色电平以外0.33。 复合信号的最大摆动范围为： 0.33 +1.33范围。按0.33 +1.33范围观察图(c ): 略。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:由式(223)和式(224)联立求解,可得: x1=0.493 x2=0.877 将青彩条 数据代入式(222)得: 将黄彩条 数 据代入式(222)得压缩后用U、V 表示： U = 0.493 (B-Y) (213

15、) V = 0.877 (R-Y) (214)利用压缩公式，可求出压缩后的色差信号、色度信号及相角值等，见表： 表24 压缩后的彩条数据 彩条矢量图彩条矢量图：1. 它以矢量方位表示色调；2. 以矢量大小表示饱和度。彩色时钟：彩色信号的矢量图也称为彩色时钟。当色调不变而饱和度发生变化时，色度信号的振幅将发生改变而相角却保持不变。例： 任意饱和度的红条，其三基色分别为： R , G = B = x, 则： Y = 0.3 R + 0.7 x , R Y = 0.7(R - x); B Y = - 0.3 (R - x) ; U = 0.49 (B Y ); 与x 有关 V = 0.877(R Y

16、 ); 与x 有关 与x 有关 V/U 与x无关2.4 NTSC制色差信号及编码、解码过程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。 在色度图中以I轴表示人眼最为敏感的色轴，而以与之垂直的Q轴表示最不敏感的色轴。 定量的说,Q、I 正交轴与U、V正交轴有 ，U、V与I、Q 之间的关系如下：I、Q信号与U、V信号之间的关系：U = 0.493 (B-Y) V = 0.877 (R-Y)Y=0.30R+0.59G+0.11B (226)Q=0.21R-0.52G+0.31B (227)I=0.60R-0.28G-0.32B (228)Q

17、、I与三基色R、G、B的关系传送分量： I、Q、Y矩阵电路解码矩阵编码矩阵2.4.2 NTSC制编码器将三基色信号R、G、B编成一个带宽和幅度与黑白电视信号相同的FBAS。任务：一、编码器矩阵电路、亮度通道、色度通道，副载波形成电路和混合放大器。组成：编码器方框图矩阵电路平衡调制器+延迟线低通延迟线平衡调制器低通+RGBYIQ副载波形成电路12333180平衡调制器K脉冲A脉冲YFBASS脉冲Fb 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

18、之用。2、NTSC制解码器任务：组成：从FBAS中分离出三基色信号R、G、B供彩色显象管使用。亮度通道、色度通道、副载波恢复电路和矩阵电路。NTSC制解码方框图矩阵电路延迟线同步检波器同步检波器FBAS门电路Fb带通F副载波恢复12333陷波器Y延迟线IQRGB矩阵电路解码矩阵编码矩阵NTSC制频带分配谱图4.5 MHz伴音载频图像载频-1.250QIfscI、 Q带宽： -1.50.5MHz。2.4.3 NTSC制主要参数及性能fv=60Hz；fH=15734Hz；每帧525行；图像信号带宽为4.2MHz；伴音与图像载频之差为4.5MHz ；fsc=3.579MHz。I、 Q信号带宽为：-1

19、.50.5MHz；NTSC制的特点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

20、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Phase Alternation Line(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)逐行倒相。 克服了NTSC制对相位敏感的特点。彩色图像失真：亮度失真、饱和度失真、色调失真。各个失真对重现图像的影响。2.5.1 相位失真的概念及影响色调失真的主要原因在于信号的相位失真。相位失真是不可避免解决办法：1、提高传输技术，以减小微分相位失真，目前因技术 发展，传输技术得以提高，使色调失真已有所减小。2、改进制式，由此便产生了PAL制，它是解决相位敏

21、 感性而发展起来的。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。所不同的是将色度信号 Fv逐行倒相。2.5.2 PAL色度信号则第n+1行为：PAL制色度信号为：第n行的色度信号：对于隔行扫描： 奇数帧（场）的奇数行取正号，偶数行取负号； 偶数帧（场）的奇数行取负号，偶数行取正号；隔行扫描逐行倒相的正负号改变规律PNNPPNN4(+)2(+)3(-)1(- )314(+)315(-)316(+)317(-)偶数帧1(+)314(-)317(+)4(-)2(-)

22、315(+)3(+)316(-)313(+)N(NTSC)P(PAL)PNNPP奇数帧为了以后分析问题的方便，与NTSC制一样，我们把取正号的行叫NTSC行，把取负号的行叫PAL行。逐行到相的实质： 将产生其中一个色度分量的副载波相位逐行改变180度。逐行倒相色度信号矢量图-FvFn+1FvUVFnFV则第n+1行为：第n行的色度信号：彩条矢量逐行倒相情况 逐行到相的实现： 1、逐行改变色差信号V的相位， 2、逐行改变副载波相位（实现简单）与正交平衡调制的区别： 增加了一个PAL开关，一个移相器和一个到相器。 PAL开关是一个由半行频对称方波控制的电子 开关，它是逐行改变开关的接通点。逐行倒相

23、波形关系(c) 逐行倒相输出副载波(a) 90度移相后的副载波(b)半行频波逐行倒相实现框图180度倒相- cossct半行频方波psinsctsinsct1V平衡调幅器+V cossctV+cossctU平衡调幅器UU sinsct90度移相cossctPAL开关2Fv逐行倒相，使色度信号的频谱结构发生了变化： FU 主谱线位置未变，仍以行频为间距。 Fv 主谱线由于逐行到相，位置发生了变化。 逐行倒相行关系式式中m为正整数，且取奇数；=2fH/2。频谱特点：以fH为间隔。半行频方波： 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 PAL制采

24、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。2.5.3 PAL克服相位敏感原理Fn(N行）F方位UVFn+1(P行）-0FnFn+1Fn+1Fn+1FnFUV0相位无失真情况相位失真情况说明： 由于相位失真引起了饱和度下降，但色调未变。 PAL 克服因相位失真引起的畸变的实质是用逐行 到相的方法使相邻两行色度信号的相位失真方向 相反，再将它们合成，从而得到相位不失真的色 度信号，以消除相位失真。相邻两行相位失真方向相反的色度信号合成：1、利用人眼分辨力有限和视觉暂留特性，使屏幕上相 邻两行的相位失真相互补偿，得到一种中间的无色 调畸变的颜色。 （PALS）2、在电路上采取 措施，用延

25、迟线把前一行色度信号延 迟大约一行的时间，然后在合成电路中与本行色度 信号合成，从而得合成的色度信号。（PALD）副载波的选择原则： 合理地选择副载波，使亮度信号与色度信号谱线的主谱线彼此错开；此外，应尽量选择频率较高的副载波，以减小副载波的谐波干扰，但又不能使调制后的已调色差信号的上边带超出规定的6M Hz 范围。只有这样才能有效地克服亮度与色度间的相互串扰。PAL中已调色差信号FU 与 Fv 频谱的主谱线不是占有相同的位置，而是彼此错开半个行频，即它们的间距是 ，如图所示。2.5.4 PAL副载波选择分解图 1、副载波频率选为与整数倍行频相差半行的频谱结构。 （图B） 2、不是整数倍也不选

26、择 行间置频谱结构。(图C)(a)(b)(c)fH/2fH/2fH/2fH/2fscfscfscfH/4fH/4fH/2UUUUVVVVVVVVVVVVUUUUYYYYYYYYYYYVVVVVVUUUUY即令 位于 和 之间，这样就可使亮度信号Y与两个色度信号分量的频谱相互错开,那么 应满足下述关系: 从而求出: 1/4行间置的定义：略。 对于行频为15625Hz，场频为50Hz，标称视频带宽为6MHz的系统，根据选择fSC尽量高的原则，可取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:25Hz：使色、亮信号副谱线之间的间距增大，减少亮色干扰。 图225

27、 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 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。这个附加信息并没有直接加在色度信号中，而是寄存在每一行的色同步信号中，它表现为相邻两行的色同步信号相位不同。作用：提供解调时所需的-cossct、 cossct开关信号。位置：每一行的色同步信号中，即相邻两行色同步信号的相位分别为+135和-135。PAL制

28、色同步信号矢量方框图K+KU平衡调幅器Sin sctV平衡调幅器+cos sct90+90180180135135Sin (sct135）+FbPAL色同步信号矢量图V 路色同步矢量V 路色同步矢量U 路色同步矢量NTSC 行色同步矢量PAL行色同步矢量VFbv(n+1)Fbv(n)Fbv(n)Fbv(n+1)Fbv+13513545+45U1. PAL制编码器及编码过程把三基色电信号R、G、B编制成FBAS的过程。编码：2.5.6 PAL 制编、解码过程编码器: 就是用来编码的电路。 具体编码过程如下: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

29、(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)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。2、PAL 解码器及各点波形解码： 把彩色全电视信号还原成三基色电信号的过程称为 解码。是编码的逆过程。解码器： 完成解码的电路称为解码器。解码器的分类： PALS(简单解码)、 PALD(延迟解码)、 PALN(锁相 解码)等。PALD的构成：

30、亮度通道、色度通道、基准副载波恢复、基色输出 矩阵四大部分。解码具体过程：1、彩色全电视信号FBAS经陷波器和色度带通滤波器进 行频率分离，分成亮度信号和色度信号两部分。2、梳状滤波器完成色度信号中的两个分量 FU 与 Fv 分 离。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。 (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 信号同时输入基色矩阵电路,经基色矩阵电路分 解,输出R、G、B三基色信号。其输入、输出波 形如图235所示。(6) 色同步信号与副载波压控振荡器输出的信号同 时送鉴相电路,二者进行相位比较后,输出一个与 之相差成正比的直流控制电压,由它再去控制压 控振荡器,使其输出副载波频率和相位与发射端 相同。 3、亮、色信号分离色度信号的解调两行的色度信号进行平均后，使两种相反的失真相互补偿 方法： 1.利用人眼的视觉特性进行光学平 均；为简单PAL制解码方式2.利用延时线进行电学平均。为标准 PAL制解调方式，记为PALD4、梳状滤波器分离两色度信号63.943s延迟线+