《彩色电视机原理与应用》课件-04兼容制彩色电视制式、编码与解码

1、第四章 兼容制彩色电视制式、编码与解码 4.1 黑白、彩色电视兼容的可能性4.2 兼容制彩色电视制式4.3 PAL制彩色电视编码与解码原理4.4 梳状滤波器解码原理复习思考题 14.1 黑白、彩色电视兼容的可能性4.1.1 亮度与三基色信号的关系;由前面的讨论可知, 亮度信号E-Y可以采用单个摄像管对景物的亮度摄取, 如?黑白电视摄像机一样。但目前彩色摄像机通常由三只摄像管组成, 对彩色景物摄取并分别得到三基色电信号ER、 EG、EB, 它们反映了景物各像素的亮度、色调及色饱和度的变化信息。 如果将三基色信号分别控制显像管的三个电子束流, 那么, 将在彩色显像管相应位置上, 重现该景物的亮度、

2、色调及色饱和度。 其重现的亮度是符合亮度方程的。2换句话说, 三基色信号以不同比例代数相加, 便可以合成亮度信号, 此亮度信号正是黑白电视系统中所需要的图像信号, 它代表景物的亮度变化信息, 即: EY=0.30ER+0.59EG+0.11EB (4-1) 式中三个系数之和等于1, 如果ER、EG、EB都相等且为1 V, 则EY也是1V, 即由它们给出的亮度总和为白色; 如果ER 、 EG 、 EB相等但相对值小于1而大于0, 则EY是灰色; 当ER 、EG 、 EB均为0, 则EY是黑色。 所以, 不论明亮程度如何, 对于黑白图像, 三基色信号值相等且与亮度信号相同。 如果三基色分量不相等,

3、 三基色信号的比例反映色调, 它们按(4- 1)式规定比例相加, 和值代表此时彩色景物相应点呈现的亮度。 例如, ER =0.7V, EG =0.6V, EB =0.2 V, 此彩色的总亮度信号为 EY=0.30.7+0.590.6+0.110.2=0.586 V 3 该彩色的色调为橙色, 因为等量的三基色光各取0.2V相混将得到低亮度白光, 剩下0.5 V红基色与0.4 V绿基色, 因其红比例大于绿而呈现橙色, 显然该彩色饱和度低于100%。 由上可知, ER、 EG、 EB、 EY四种信号只有三种是独立的, 已知任意三种, 就可以通过加减法矩阵电路来合成第四种。 由于各项的系数均小于1,

4、所以, 可以由一些简单的电阻分压电路构成的电阻矩阵电路来产生。 ;显然, 这给兼容电视提供了方便与可能, 为了书写方便, 今后把以上四种信号EY 、 ER、 EG 、 EB分别用Y、 R、 G、 B来表示。 44.1.2 色度信号的编码传输一、 色度信号的编码要实现彩色与黑白电视的兼容, 彩色电视信号中应当含有仅代表亮度信息而不含有色度信息的亮度信号, 然后再选择两种基色信号。 这样, 黑白电视机可直接收看彩色电视信号; 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。 例如二基色信号可选用R、 B, 或R、 G、 或G、 B, 第三个基色的大小可由亮度

5、方程和已知二基色的值解得。 但这样选择的色度信号有个很大的缺点, 即亮度信号Y已经代表了被传送彩色光的全部崐亮度, 而R、 B或其它两个基色本身也包含有亮度, 显然是多余的, 且在传输过程中易干扰Y信号。 5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, 即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, 这三种色差信号同样可以用三基色信号按一定比例合成。 只要将(4- 1)式从各基色信号中减去, 便有色差信号与三基色信号之间的关系如下:R-Y=0.7R-0.59G-0.11BJY(4- 2)B-Y=-0.3R-0.59

6、G-0.89BJY(4- 3)G-Y=-0.3R+0.41G-0.11BJY(4- 4) 由于G-Y信号数值较小, 对改善信杂比不利, 同时可由简单的电阻矩阵实现R-Y, B-Y和G-Y的变换, 所以, 通常传送Y, R-Y和B-Y, 其中Y代表亮度信息, R-Y, B-Y代表色度信息。 6二、 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仅表示被传送景物的亮度, 而不含色度, 例如传输一灰色时, 其三基色信号为R=G=B=0.5 V, 它们合成的亮度信号Y=0.5 V。 色差信号必然为零, 而色差信号只表示色度不表示亮度, 只要将(4-1)式的左边移到右

7、边, 加以整理便可得0=0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y) (4-5)这就是说, 在(4-5)式中, 三色差信号对亮度的贡献为零, 所以色差信号的失真不会影响亮度。 因此, 黑白电视机只接收彩色电视台中的Y信号, 其效果与收看黑白电视台一样, 不受色差信号的干扰, 能正常重现原图像的亮度, 所以, 其兼容效果好。 7 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条件下均应保持恒定, 与色差信号失真与否无关, 只与亮度信号本身的大小有关。下面举一例来说明: 假设某时刻为一种偏紫的红色, 其三基色信号为R=0.7 V, G=0.4

8、V, B=0.5V, 由(4-1) 式可知, 合成的Y=0.5V, 根据色差信号的定义, 我们可用矩阵电路合成得到红色差信号和蓝色差信号为 R-Y=0.7-0.5=0.2V B-Y=0.5-0.5=0V8如果我们选用Y、R-Y、B-Y三种独立信号代表彩色信息, 并将它们传送至接收端, 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、 0.5V, 同时, 也可按下式合成绿色差信号: G-Y=-0.51(R-Y)-0.19 (4-6)然后再与亮度信号Y相加获得绿基色信号G为0.4V, 所恢复的三基色信号重现的亮度与Y=0.5 V相同。 在传输过程中, 假若Y信号无失真仍为0

9、.5V, 而红色差信号受干扰变为0.3V, 蓝色差信号受干扰变为0.2V, 则它们合成的绿色差信号将变为-0.191V, 在接收端已失真的色差信号与未失真的亮度信号合成形成的三基色信号为9R=0.3+0.5=0.8VG=-0.191+0.5=0.309VB=0.2+0.5=0.7 V显然, 色调有失真, 红色更加偏紫了, 但它们按(4-1)式合成的亮度信号Y仍然为0.5V, 即此时所显示的亮度仍然与失真前的相同。这个道理很容易由(4-5)式得到证明, 即色差信号的失真不会影响亮度, 正是由于此, 使得兼容性得到改善。 应当指出, 电视传输系统并不是线性的, 因显像管存在失真, 在发送端必须进行

10、校正, 这会给恒定亮度原理带来一定的影响。 我们知道, 被摄彩色景物的亮度信号Y与三基色信号间的关系是Y=0.3R+0.59G+0.11B 10经正确的校正后形成的正确的亮度信号应该是 Y =(0.3R+0.59G+0.11B) (4-7)但在实际的彩色电视中, 亮度信号是从经过校正后的三基色信号而得到的, 崐因此, 实际的亮度信号可表示为 (4-8)在传送黑白图像时, R=G=B, 由(4-7)式和(4- 8)式计算的结果相等, 即Y=Y , 说明Y具有正确的幅度, 在黑白和彩色电视机中都能显示出正确的亮度。在传送彩色图像时, R、 G、 B不相等, 则按(4-8)式所确定的实际亮度信号Y的

11、幅度总是小于按(4-7)式所确定的正确亮度信号 的应有值。 11但在实际的彩色电视中, 亮度信号是从经过校正后的三基色信号而得到的, 因此, 实际的亮度信号可表示为Y=0.3R+0.59G+0.11B =0.3R +0.59G +0.11B (4-8)在传送黑白图像时, R=G=B, 由(4- 7)式和(4- 8)式计算的结果相等, 即Y=Y 说明Y具有正确的幅度, 在黑白和彩色电视机中都能显示出正确的亮度。 在传送彩色图像时, R、 G、 B不相等, 则按(4-8)式所确定的实际亮度信号Y的幅度总是小于按(4-7)式所确定的正确亮度信号 的应有值。12经理论计算表明: 就各种高饱和度的彩色而

12、言, 重现亮度都比原来的真正亮度要低, 其中, 尤以蓝色和红色的误差最大。 用黑白电视机接收彩色信号时, 彩色图像的亮度低于应有亮度, 说明了“恒定亮度原理” 失效, 不过, 在实际图像中, 高饱和度彩色是不多见的, 大量的是低饱和度彩色和中性色(白、 灰、 黑), 因而其亮度误差一般是不大的, 还不致于明显地降低图像的质量, 通常不考虑这种失真。133.有利于高频混合;高频混合原理又叫做大面积着色原理, 是根据人眼分辨彩色差别的能力要比分辨亮度差别的能力低得多的这一特点, 传送亮度信号时占有全部视频带宽6 MHz, 而传送色度信号则利用较窄的频带1.3 MHz, 这样, 接收机所恢复的三个基

13、色信号只包含较低的频率成分, 反映在画面上, 是表示大面积的色调, 而图像的细节, 即高频成分, 则由亮度信号来补充。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6 MHz的三个基色信号, 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, 用公式表示如下: 14 可见, 在进行高频混合时, 亮度信号中1.3 MHz以下的低频成分不再重复出现 , 以免造成色度失真, 如果直接用R、B等基色信号传送, 则在高频混合时, 低频分量的亮度会重复出现而造成彩色失真 。4.1.3 频带压缩与频谱间置; 一、 频带压缩;由上可知, 我们选用亮度信号Y和两色差信号(R-Y)、 (B-Y)

14、作为彩色电视信号, 如果不加任何限制和处理的话, 则彩色电视信号的总频带过宽, 技术上实践有困难, 更无法实现兼容, 所以, 必须压缩彩色电视信号的频带宽度。15由于彩色电视的清晰度是由亮度信号的带宽来保证的, 所以, 彩色电视信号中的亮度信号不能压缩, 保持6MHz的带宽, 而彩色并不表示图像的细节, 可将彩色信号的频带加以压缩, 不必传送色度信号的高频分量。 实践证明: 将色度信号频带压缩到11.5 MHz, 重现彩色图像效果已能满足要求, 我国彩电制式中, 规定色度信号带宽为1.3 MHz。 16 二、 频谱间置;色差信号的频带虽经压缩, 但仍与频带宽度为6MHz的亮度信号重叠, 这样不

15、仅互相干扰, 而且接收端也无法将它们区分开。那么, 如何使亮度、 色度共用6MHz带宽而不相互干扰 为解决这一问题, 我们先介绍一下有关频谱分析的概念。 频谱就是电信号的能量按频率的分布, 也就是信号的频域表示法。 对于给定的信号波形(时域表示)求出其频谱(频域表示)叫做频谱分析。 基本的方法是付氏级数展开法。实际上, 所有周期信号的频谱都是离散谱, 而所有非周期信号的频谱都是连续谱。必须指出, 信号的频谱和通道的幅频特性是崐两个不同的概念, 前者是信号本身的属性, 后者则是电路(放大器、 滤波器等)的特性。 17由于采用了周期性扫描, 所以黑白电视图像信号可以看成是周期性的。 因而, 它们的

16、频谱集中在行频各次谐波附近, 且是一簇一簇的离散谱, 信号中的谐波频率越高, 其幅频衰减越大, 虽然它们占据06 MHz的带宽, 但在各谱线之间的一段间隔内并无谱线; 同亮度信号一样, 色度信号也具有同样的周期性, 因为它也是按同一帧频和行频扫描出来的, 所以色度信号的谱线也是一群一群的离散谱, 群与群之间的间距也是行频。 因此, 可以在亮度信号的频谱间隙里穿插色度信号的频谱。 或者说, 色度信号的频谱, 正如农作物的间种法一样, 可以使它们相互错开。 18实现频谱间置最简单的方法是将色差信号进行一次调制, 只要适当选择其调制载频便可以使已调色差信号的频谱与亮度信号频谱交错, 如图4-1所示。

17、 其中, 色差信号调制所用载波信号称为副载波, 我国彩色电视所选择的副载波频率为fSC =4.433 618 75 MHz, 图4-1示出的副载波频率fSC正好是行频fH的283.5倍, 因此, 可将色差信号频谱搬到亮度频谱间隔的中央, 接收机能够根据它们频率分量不同, 而将它们分离,合理使用了6MHz的频带, 有利于兼容。 19图 4-1 频谱交错 20 4.1.4 彩色电视全射频电视信号频域图;彩色全电视信号(FBAS)是由黑白全电视信号与色度信号叠加而成的, 仍采用残留边带发送, 它与高频伴音信号合在一起称为彩色电视全射频电视信号, 其频谱示意图如图4-2所示。由图可见, 其频带宽度和频

18、道划分与黑白电视完全一样, 仅在高频端色差信号对副载波是双边带调幅, 由上可知, 色度信号与亮度信号频谱交错, 互不干扰, 所以, 黑白、彩色电视完全可以兼容。 图中, fS仍表示FM制伴音信号载频, 它比图像载频fP仍高6.5 MHz。 21224.2 兼容制彩色电视制式4.2.1 正交调制解调基本原理;前面我们已经介绍过的频谱间置概念, 仅是一个色差信号进行调制的情况, 而实际上有两个色差信号, 怎样把两个色差信号同时调制到一个彩色副载频上 又如何将这两个色差信号的频谱相互错开呢 正交调制是一种简便且行之有效的方法, 它是将两个色差信号(R-Y)和(B-Y)分别调制在频率相同, 相位相差9

19、0的两个色副载波上, 再将两个输出加在一起。 在接收机中, 则根据相位的不同, 从合成的副载波已调信号中可分别取出两个色差信号, 因此, 这种调制既能在一个副载波上互不干扰地传送而且便于解调分离, 又不增加频带。为了减小副载波对图像的光点干扰, 这里采用平衡调幅制, 即采用抑制副载波的调幅式。 23色差信号的正交平衡调制的方框图如图4- 3所示, 它由两个平衡调幅器, 副载波90移相器和线性相加器等部分组成。 实际上, 平衡调幅器是一个乘法器, 它的输出是两个输入信号的乘积。 图 4-3 正交平衡调制原理 24设基准副载波的幅值为1, 色差信号(B-Y)与基准副载波sinSCt在(B-Y)平衡

20、调幅器中相乘后, 输出蓝色度分量(B-Y) sinSCt, 基准副载波sinSCt经90移相后, 变成sinSCt, 它与色差信号(R-Y)在(R-Y)平衡调幅器中相乘后, 输出红色度分量(R-Y) cosSCt, 它们相互正交, 在线性相加器中相加, 就得到色度信号为F=(B-Y)sinSCt+(R-Y) cosSCt (4-12) 显然, 色度信号是两个已调色差信号即两个色度分量的矢量和。 图4- 3(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, 而是F的相角, 其矢量式为 25(4-13) 由此可见, 彩色图像的色度信息全部包含在色度信号的振幅与相角之中, 因为

21、振幅 取决于色度信号的幅值, 因此, 它决定了所传送彩色的饱和度, 而相角取决于色差信号的相对比值, 因而它决定了彩色的色调, 这就是说, 色度信号既是一个调幅波, 又是一个调相波, 色饱和度是利用已调副载波的幅值来传送的, 而色调是利用已调副载波的相位来传送的。 26由于平衡调幅波的包络不再是原来调制信号的波形, 因此, 不能用包络检波的方法检出调制信号。 所以, 要将色度信号F还原为(B-Y)和(R-Y)两个色差信号, 则必须用正交解调器 , 它实际上也是一种乘法器, 因此, 正交解调器也称为乘法检波器。 在接收机中, 要实现乘法检波, 必须产生彩色副载波, 它的频率和相位要严格地和正交平

22、衡调制器中的彩色副载波一致。 并同样地分成两个互相垂直的分量, 然后将副载波的这两个分量分别和已调色度信号相乘, 再经低通滤波器取出色差信号。 乘积式同步解调器(正交解调)原理框图如图4- 4所示。 27图 4-4 正交解调原理方框图 284.2.2 PAL制、 NTSC制和SECAM制的共性与不同特点简单地讲, 当今世界三大彩色电视广播制式的共性是: 它们都与原来的黑白电视相兼容, 且都是用摄像机摄取三基色信号, 并把这三基色信号编码成一个亮度信号Y和色差信号(R-Y)、 (B-Y)来传送, 其主要差别体现在两个色差信号对副载波的调制方式上。 一、NTSC制的特点;NTSC制于1953年在美

23、国开始广播, 是较早应用于彩色、黑白兼容的彩色电视制式。为了压缩频带, 又能获得良好的图像质量, NTSC制有如下的特点: (1) NTSC制采用的频带宽度为4MHz, 扫描行数为525行, 扫描场数为60场, 可以与原黑白电视相兼容。 29(2) 根据人眼的视觉对亮度细节较敏感, 对彩色细节不敏感的特性, 将亮度信号以宽频带传送(04MHz), 以窄带传送(01.5 MHz)色度信号。(3) 采用频谱间置技术, 副载频选为fSC=3.579 545 MHz。 (4) 选用Y、I、Q作为传输信号, 其中Y仍为亮度信号, I、 Q为色差信号, 它是色差信号(R-Y)和(B-Y)的一种线性组合。

24、它们之间的关系由下式确定: I=0.877(R-Y) cos33-0.493(B-Y) sin33 (4-14) Q=0.877(R-Y) sin33+0.493(B-Y) cos 33 (4-15) 上式表明: I色差信号的矢量超前(R-Y)矢量33, 并处在红黄色区域, Q色差信号的矢量超前(B-Y)矢量33, 并处在蓝紫色区域。 如图4- 5所示, I、Q仍为互相正交。 30图 4-5 I、Q与(R-Y)、 (B-Y)色差矢量的关系 31这里之所以不用蓝色差与红色差信号, 而用I、Q色差信号, 是因为人眼分辨红、 黄之间颜色变化的能力最强, 而分辨蓝与紫色之间颜色变化的能力最弱, 这样,

25、 在传输分辨力弱的Q信号时, 可用较窄的频带(00.5MHz), 而传送分辨力强的I信号时, 可用较宽的频带(01.5MHz)。 用亮度方程式(4- 1)代入(4-14)、(4-15)式, 即可得到Y、 I、 Q与三基色的关系式:I=0.6R-0.28G-0.32B (4-16) =0.21R-0.52G+0.31B (4-17) 显然, 在传送黑白信号时, 由于R=G=B, 所以色差信号I、Q均为0, 减少了色度信号与亮度信号之间的干扰。 32(5) 采用正交平衡调幅, 把两个色差信号调制在副载波上, 色度信号Q分量用双边带方式传送, 而I分量用残留边带传送。 这样做, 既可以使色度信号的带

26、宽得到压缩, 又能保证正常的彩色传送, 同时, 色度与亮度信号之间干扰较小。(6) 在三大兼容制中, NTSC制色度信号的处理过程最为简单, 因而相应的解码电路也简单, 这给接收机生产带来方便, 有利于降低成本。(7)NTSC制的主要缺点是对相位敏感, 容易出现彩色变色。换句话说, 传输过程中所产生的相位失真将导致色调变化。 33二、SECAM制特点;SECAM制是为了克服NTSC制相位失真的缺点而由法国人研制出来的。主要特点如下: (1) 在SECAM制中, 传输信号仍采用亮度信号Y, 色差信号(R-Y)和(B-Y), 但两色差信号不是和亮度信号同时传送的, 而是将两个色差信号(R-Y)和(

27、B-Y)逐行轮换对两个副载波(f1=4.025MHz, f2=4.40625MHz)进行调频后, 并叠加在逐行传送的亮度信号上一起传送的。也就是说, 在第n行时传送(R-Y)调频信号, 第n+1行时传送(B-Y)调频信号, 而亮度信号则是每一行都传送, 在任一行时间内, SECAM制信号中, 只存在一个亮度信号和某一个色差信号。 所以不会发生互相串色的现象。34(2) 在SECAM制中, 由于色差信号对彩色副载波采用了调频方式, 并且调频信号在进行频率检波之前, 可以进行限幅, 所以, 色度信号对相位失真不敏感。 (3) 在SECAM制中, 色度信号采用了调频制, 由于调频为连续频谱, 故不能

28、采用副载频偏置以实现色度信号和亮度信号的频谱交错, 因而其兼容性比NTSC制和PAL制稍差一些。 35(4) SECAM制的解码和其它制式的解码器一样, 亮度信号Y和两个色差信号(R-Y)、 (B-Y)在一行时间内必须同时存在, 以恢复和重现彩色图像所必须的R、G、B三基色信号。 由于SECAM制在一行时间内只有一个色差信号被传送这一特点, 所以, 在解码器中, 根据图像信号行间的相关性, 采用64s延时线, 将收到的信号存储一行时间, 以使每一行所传送的色差信号可以使用两次, 在被传送行使用一次, 在未被传送行用延时线的存储特性再使用一次, 这正好取得在一行时间内所缺少的那一个色差信号, 从

29、而实现了在一行时间内Y、 (R-Y)、 (B-Y)的同时存在。由于每传送一行色差信号要利用两次, 所以这种制式的彩色垂直清晰度降低一半。 36 三、PAL制及其特点;PAL制也是为了克服NTSC制相位敏感性于1962年在原西德研制出来的一种兼容彩色电视制式, 实际上它是NTSC制的一种改进。这种制式将在下节详细叙述。其特点如下:;(1) 采用色差信号(R-Y)和(B-Y)作为色度信号的两个分量, 都用01.5 MHz的带宽, 双边带方式传送。(2) 传送时, 将两个色差信号之一的(R-Y)信号逐行倒相180, 接收后再将(R-Y)信号相位复原。由于将(R-Y)信号逐行倒相180进行传送, 则在

30、相邻行上的相位误差可以相互补偿, 当出现微分相位失真时, 可以保持色调不变。(3) 亮度信号与色度信号频谱交错, 相互干扰小, 可以实现分离。 37(4) 存在“百叶窗”效应, 当梳状滤波器的直通信号与延时输入信号间存在幅度误差, 或延时存在误差, 或传输通道有相位误差, 或存在通道频率失真, 都会引起两色差信号间互相串扰, 也可以说, 将导致两分量分离不彻底。又因串扰也是逐行倒相的, 造成相邻两行间色度信号的亮度差异较大, 人眼对亮度差异较敏感而产生对图像有明暗相间的水平条纹, 这种明暗相间的水平线条因隔行扫描而向上蠕动, 故称“爬行”, 该水平条纹类似于百叶窗, 故又称作“百叶窗”效应。

31、也可以说PAL制电视将NTSC制存在的色调失真转换成“爬行”现象, 当然在实际中可以利用调整来使此现象消失或减至不明显。38总之, 上述三种制式都是行之有效的彩色电视制式, 经多年的使用, 都积累了崐相当丰富的经验, 单从技术性能方面比较, 决不能得出完全肯定或完全否定某一制式的结论。 实际上, 各国在选定制式时往往受到各方面因素的制约, 而决非都是出于技术考虑。 394.3 PAL制彩色电视编码与解码原理4.3.1 逐行倒相; 一、 色度信号的压缩;为了实现兼容, 在彩色电视制式中规定, 负极性亮度信号仍以扫描同步电平最高, 若以它为100%, 则黑色电平即消隐电平为76%, 白色电平为20

32、%。 由于彩色全电视信号是由色度信号与黑白全电视信号相加而成, 如果不经任何处理, 则叠加后的结果使得色度信号的动态范围超出了黑白电平的范围。 当色度信号超过白电平时, 将对发射机中的调制器产生过调失真; 当色度信号高于同步电平时, 色度信号将会被切割出来破坏接收机的同步。40为此, 我们规定, 色度叠加在亮度电平的最高值, 应比同步电平低5.5%, 色度信号的最低电平应在零以上, 规定高于1.5%, 即把色度信号压缩到白黑电平范围的33%。按上述条件, 我们很容易计算出被压缩了的蓝色差信号和红色差信号, 分别用U和V表示为U=0.493(B-Y)= (4-18)V=0.877(R-Y)= (

33、4-19)41用压缩后的U、 V信号去调制两个互相正交的副载波, 便得到两个已调色度分量: FU色度分量与FU色度分量, 即 FU=U sinSCt (4-20) FV=V cosSCt (4-21)将它们相加便获得色度信号, 其数学表达式为: F=FU+FV =其中: =arctg SC为副载波频率。 其矢量式为F=U+V (4-23) (4-22)42二、 逐行倒相;PAL制是在NTSC制的基础上加一个逐行倒相的改进措施, 所以称为逐行倒相正交平衡调幅制。所谓逐行倒相, 是将色度信号中的一个分量, 即第二分量FV逐行倒相。具体地说, 当扫描顺序为第n行时, FV等于VcosSCt, 即相当

34、于矢量V的相位是90当扫描顺序为第n+1行时, FV等于Vcos(SCt+180), 相当矢量V倒相变为270; 当扫描到第n+2行时, 矢量V的相位又变回到90。如此反复进行。而矢量U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。 其数学表达式为 43F=U sinSCt V cosSCt = U sinSCt +K(t)Vcos SCt =|F|sinSCt +(t) (4-24)其中:(t)=K(t) arctg k(t)称为开关函数, 为半行频方波, 幅值为1, 反映了逐行倒相, 当取值为+1时, 即未倒相行Fn, 称为NSTC行; 当取值为-1时, 即倒相

35、行Fn+1称为PAL行。显然, 对于任一色度信号, Fn与F n+1矢量以水平轴U镜像对称。其矢量图和K(t)波形图如图4-6所示。 44图 4-6 逐行倒相矢量图与开关函数波形图 45三、PAL制对相位失真的补偿原理;传输系统各单元的线性相位失真, 在多山地区或高层建筑物附近信号传播过程发生多经相位干扰, 接收机中副载波恢复电路的相位误差等等。 采用逐行倒相的结果都能使这些相位误差互补抵消, 现以微分相位失真的改善来说明逐行倒相克服相位失真原理。所谓微分相位失真, 是管子在大信号工作状态下出现的非线性失真。 它的特点与信号电平有关, 因为在大信号工作状态下, 容易进入管子特性曲线的非线性部分

36、, 将使频率相同的信号因电平不同产生不同的相移, 这种取决于特性曲线的非线性的相位失真, 就称为微分相位失真。46色度信号是叠加在亮度信号上传送的, 亮度信号随图像内容的变化忽大忽小, 使色度信号在管子的特性曲线上来回移动, 于是信号的相移随亮度信号电平而变, 因而产生了色调失真。 这种微分相位失真, 不能用简单的相位校正网络来校正。微分相位失真只与亮度电平有关, 相邻两行上相邻像素的亮度总是差不多的, 它们的色度信号的微分相位失真也就基本相同, 假设都滞后一个相角, 如图4-7所示。对紫条的色度信号, 其NTSC行本来是Fn,但滞后相角就成了Fn, 而PAL行本来是Fn+1, 但滞后相角就成

37、了Fn+1, 这个Fn+1矢量的FV分量在接收机中又被倒相, 于是变成了Fn+1, Fn和Fn+1恰好对称地位于Fn的两旁, 经平均后, 色调将准确地重现为原来的色调(紫色), 即使相位误差高达40, 47图4-7 相位失真的互补48Fn几乎是蓝色, Fn+1几乎是红色, 平均起来还是紫色, 换句话说, 合成的色度矢量与原色度矢量相位相同, 即与Fn重合。但是, 合成色度矢量F合的长度减小了cos倍, 也即其饱和度下降了, 越大, 其饱和度下降得越多, 所以, 校正相位失真, 是以色饱和度下降为代价的。值得庆幸的是, 人眼对色饱和度的变化不那么敏感, 一般地, 当不太大时, 色饱和度的变化就更

38、不易觉察。 这里所说的平均, 是用人眼的生理混色特性实现的。 实际上在接收机中, 这种平均是通过延时分离电路来完成的。 不论采用何种平均方法, 其原理是相同的, 即PAL行的相位失真效果与NTSC行相反, 使得色调畸变得到了校正。 494.3.2 PAL制编码调制原理;同NTSC制编码器一样, PAL编码器的任务也是将摄像机摄取的三个基色信号R、G、B编制成彩色全电视信号。PAL制编码器的组成框图如图4- 8所示, 与NTSC制编码器相比, 只多了一个PAL开关, 它把加于V平衡调制器的副载波逐行倒相, 其开关电压由k(t)脉冲来控制, 编码器的主要工作过程如下:;(1) 将R、G、B三个基色

39、信号通过矩阵电路, 变换成亮度信号Y和色差信号U、 V。(2) U和V信号通过低通滤波器, 只保留1.3 MHz以下的低频信号。50(3) 把带宽限制后的U、 V信号送入U和V平衡调制器, 对零相位的副载波和90相位的副载波进行平衡调幅, 分别输出FU和FV色度分量。 (4) 为了使亮度信号对色度信号的干扰在电视上看不出来, 所以, 在亮度通道中设有一个中心频率为色副载波频率的陷波器。 由于色差信号通过低通滤波器后, 一定会引起附加延时, 为了使亮度信号和色度信号在时间上一致, 须将亮度信号加以适当延时, 延时量约为0.6 s。(5) 将FU 、 FV两个色度分量与亮度信号Y在线性相加器中叠加

40、, 其输出便是彩色全电视信号。 51图 4-8 PAL制编码调制原理框图 52 4.3.3 逐行倒相正交同步解调原理;解码是编码的逆过程, 它把彩色全电视信号还原成三基色信号。PAL解码崐器有各种类型, 我们以目前广泛应用的PALD又称为延时线型PAL解码器为例, 说明其工作原理。PALD解码器原理框图如图4- 9所示。 53图4-9 PALD解码器原理框图54主要工作过程如下:(1) 首先通过频率分离, 把彩色全电视信号分离为亮度信号和色度信号。 用一个陷波器, 其陷波频率为色副载频, 从彩色全电视信号中滤去色度信号, 得到亮度信号。 用一个带通滤波器, 其通频带的中心频率也为色副载波, 并

41、具有色度信号占有的带宽, 从彩色全电视信号中选出色度信号。(2) 色度信号经延时解调器, 也称梳状滤波器分离出两个色度分量FU和FV, 其工作原理将在下节详细介绍。55(3) 为了从色度分量FU和FV中解调出两个色差信号, 要各用一个同步解调器, 同步解调原理前已叙述, 不过, 这里要注意的是红色差信号同步解调器输入信号是逐行倒相的, 无论是PAL行还是NTSC行, 解调器输出均为正极性红色差信号(R-Y), 因此, 该同步解调器的插入副载波的倒相次序应与输入的FV分量一一对应, 否则, 将会产生很大的色调失真。(4) 将亮度信号Y和两个色差信号(R-Y)、 (B-Y)送入矩阵电路, 还原成三

42、个基色信号R、 G、 B, 送至彩色显像管。 56 4.3.4 PAL制频谱间置原理;如前所述, 为了兼容, 将使彩色电视信号总频带与黑白电视信号频带相同。 通常将已压缩的色度信号频谱插入亮度信号频谱的间隙之中,以实现亮度、 色度信号的频谱交错。 SECAM制是将两种已调色差信号从时间上分开, 避免两种色度分量的互相干扰, 而NTSC制中两色度分量的频谱是重合的, 只不过是相位不同。我国采用的PAL制由于采用了逐行倒相正交平衡调幅, 只要合理选择副载波的频率, 就可以将FU、k(t)FV与Y三种信号的主谱线互相错开, 做到互不干扰。 57一、PAL制红、 蓝两色度分量的主谱线分析;我们知道,

43、U、V和Y信号都是时间的函数, 因电视扫描是周期性的, 这使得它们的频谱是由以行频fH为间距的一束束谱线所组成, V、U和Y的频谱图如图4-10(a)、(e)、(g)所示。由于主谱线两边的帧频谐波边带相对于行频实际上是很窄的, 且其幅度相对于主谱线幅度也很小, 衰减也很快, 所以图中只画出了它们的主谱线。U信号对副载波进行平衡调幅, 所产生的FU色度分量的频谱如图4-10(b), 是由对称分布在副载频fSC两边的旁频带fSCnfH组成。 58由式(4- 24)可知, 色度信号F中除了含有色度信息U、 V之外, 还有开关信息k(t), 这是PAL信号与NTSC信号的区别所在。它是时间t的奇函数,

44、 经付氏级数展开可知, k(t) 频谱由半行频的奇数倍的频率成分所组成, 这些频率包括: (n=0, 1, 2, ) 其频谱图如图4-10(c)所示。 59k(t)对副载波进行平衡调幅后所获得的逐行倒相副载波的频谱如图4-10(d)所示, 它是由对称分布在副载频fSC两旁的旁频带 组成。 故第一对谱线与副载频的间隔为 , 而其余频谱间隔为fH。由于逐行倒相的红色差分量k(t)FV=Vk(t) cosSCt, 所以, k(t) FV信号相当于将V色差信号对k(t) cosSCt信号进行平衡调幅。 调幅后所包含的频率成分为其频谱如图4- 10(f)所示。 频谱中, 两个边带的第一个频率分量为 ,

45、与副载频相距半行频 , 而边带其余各分量以fH间置, 可见与图4-10(d) 频谱位置一致。 60图 4-10 PAL制频谱间置图 61通过上面分析可知, 由于PAL制对副载波采用逐行倒相, 使得红、蓝两个色度分量FU、k(t)FV不但相位正交, 而且它们的主谱线互相错开 。二、 副载波的选择;副载波选择的基本原则是使亮度信号Y和色度信号F谱线分开。在NTSC制中, 彩色副载波的频率选为半行频的奇数倍, 即 62已调色度信号频谱正好插在两相邻行亮度频谱的中间, 并以最大间距拉开, 使色度信号对亮度信号的干扰最小。但色度信号中的U、V分量频谱位置相同, 只是二者相位正交。 在PAL制中, 如果仍

46、和NTSC制一样采用“行频间置”, 将使得V信号谱线与亮度信号Y的谱线重叠在一起, 形成很强的副载波干扰。 由于亮度信号Y的频谱分布是由行扫描周期决定的, 主频谱处在nfH频率点上, 主谱线间隔为fH, 无法改变, 而U、V分量的频谱分布与所选择的副载频有关, 因此, 只能重新选择一个合适的副载频, 使得Y、U、V三个信号的频谱相互错开。 在PAL制中, 副载频采用行频间置, 即63间置后的频谱如图4-10(h)所示。由图可知, 亮度信号与色度信号错开fH, 两色度信号间错开 。 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25Hz, 称为半场频间置, 即选择

47、f SC=283.75 fH +25 Hz=4.433 618 75 MHz4.43 MHz64原理简述如下:当黑白电视机接收彩色电视信号时, 由于色度信号与亮度信号叠加在一起, 对黑白电视机而言, 无法滤除色度信号, 将会通过视频放大加至显像管, 由上述分析知, 副载频是行频的283.75倍, 或说TH=283.75 TSC, 而色度信号的载频就是副载频f SC, 因此, 每当色度信号变化一周, 相当于屏幕上显示出一亮点与一暗点, 这样, 每扫描一行将出现200多个亮点, 又因一行中所包含的副载波周期并不是整数, 相邻行光栅上出现的干扰亮点并不是排列整齐的, 相邻行的起始光点对应位置相差 的

48、时间, 因此, 整个屏幕上的干扰亮点倾斜排列, 加上正交调制的色度信号中红、 蓝两色度分量所形成的亮点斜纹左右方向正好相反, 在屏幕上形成网纹亮点干扰, 这些亮点还因隔行扫描每场亮点相对位置又不同, 造成低速移动的亮点干扰网纹, 使人眼非常疲劳。 65如果使副载波附加25 Hz, 相当于使副载波每场增加半周, 那么, 副载波的相位是逐场反相, 这样使屏幕出现光点干扰的位置上的亮暗变化逐场交替, 或者说, 在奇场时屏幕上某一位置上出现一亮点, 则偶场时在此位置出现暗点, 利用人眼的惰性作用就感觉亮点减少。 同时, 增加25Hz后, 将使亮点网纹的移动速度加快, 也使人眼感觉光点干扰减少, 由此可

49、见, 对副载频的精确度要求是非常高的, 一般为15Hz。 664.4 梳状滤波器解码原理 4.4.1 红蓝两色度分量分离原理;在PALD解码器中, 我们已经提到过梳状滤波器, 它是解码器中的核心部分, 主要功用是利用电视信号的行间相关性, 从色度信号中分离出红、 蓝两色度分量。梳状滤波器的原理框图如图4-11所示。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, 其解调分离原理叙述如下: 67图 4-11 梳状滤波器原理框图 68设第n行的色度信号为Fn=U sinSCt+V cosSCt (4-2

50、5) 上一行的色度信号应为F n-1=Usin SCt-V cosSCt (4-26)这样, F n-1信号经过延时线延时63.943s (约邮4s)再反相后, 则-Fn-1=-U sin SCt+V cosSCt (4-27)经相减或相加可得 Fn -(-F n-1)=2UsinSCt=2FU (4-28)Fn+(-F n-1)=2VcosSCt=2FV (4-29) 69同理: Fn+1-(-Fn)=2U sinSCt=2FU (4-30) Fn-1 +(-Fn)=-2VcosSCt=-2FV (4-31) 可见, 从减法器和加法器分别输出色度分量FU和逐行倒相的色度分量FV, 且幅度都增

51、加一倍。 4.4.2 超声玻璃延时线; 一、 结构超声玻璃延时线的结构如图4-12(a)所示, 它由一块长约40mm, 宽约30mm, 厚约0.8mm的玻璃片(一般采用温度系数小的光学玻璃)和两个换能器组成。通常换能器由压电陶瓷材料做成, 实现电能与机械能之间的相互转换。70换能器与玻璃间由极薄的粘贴层连接。为了使超声波按规定的路径传输, 减少不规则反射带来的干扰杂波, 在玻璃介质中加有吸声材料。吸声材料由橡胶、 环氧树脂和钨粉配制而成。为了减小外界因素对延时线特性的影响, 通常把超声延时线全部用塑料密封起来。超声延时线在电路中常用图4-12(b)所示的符号来表示。 71图 4-12 超声玻璃

52、延时线的结构与符号 72 二、 超声玻璃延时线的工作原理;超声玻璃延时线是延时解调器的主要部件。 它与LC集中参数延时线相比, 具有延时时间长, 电气性能好, 体积小, 重量轻等特点。 其基本原理如下:当色度信号电压在输入端换能器两面涂敷的金属电极上时, 电压的交变导致换能器的压电材料内产生机械振动, 并传给玻璃, 一个沿图示箭头所指方向的机械振, 碰到玻璃的界面反射五次, 最后传输到输出端换能器。 这样, 就在输出端换能器的压电材料内激起机械振动, 因而在它两面的金属电极上还原成色度信号电压, 而还原出来的色度电压已被延时, 延时的时间正是这段传播时间。73这种超声波在玻璃中的传播速度约为2

53、 700 m/s, 所以, 为获得63.943 s的延时量, 约需17cm的传播路经。 上述玻璃片结构尺寸就是按这种需要来设计的。为使其延时误差尽可能减小, 通常可用反射面的厚薄精度来控制延时时间, 常用的延时线其误差不大于5ns。 74三、 超声延时线的具体参数超声延时线的具体参数如下:延时时间: 63.943 s5 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三次反射杂波衰减: 22dB其它杂波衰减: 30 dB。 754.4.3 梳状滤波器的幅频特性及延时量的选择 一、 梳状滤波器的幅频特性梳状滤波器即延时解调器的幅频特性是指相加器或相减器的输出与其输入的比值, 分别用k+()、k-()表示。为讨论方便, 假设输入信号为单一频率的正弦信号, 且令其幅值为1, 并用指数形式表示为ei=e jt, 用它作为直通信号, 这个信号经过延时线后, 如果延时量为, 并崐假设延时线对信号幅度无衰减, 则延时信号为 ei=ej(t-)=e jte -j按上述定义有梳状滤波器相加器的传递函数为 76(4-32)其模值为 (4-33)77同理可得相减器传递函数的模值为当=TH=1/fH即=64s时