第三章彩色电视的基本原理

第3章彩色电视的基本原理§3.1色度学的基本知识§3.2彩色图像的分解与重现§3.3兼容制彩色电视制式§3.4PAL制彩色全电视信号§3.5彩色电视接收机概述§3.6彩色显像管习题三§3.1色度学的基本知识一、光和彩色名称频率/Hz波长/m无线电波红外线紫外线X射线宇宙射线10510101015102010253x1033x10-23x10-73x10-123x10-17红橙黄绿青蓝紫nm780630600580510450430380

1、可见光：光是一种以电磁波存在的物质。能引起人眼视觉反应的光称为可见光。

2、可见光性质

（1）在整个电磁波波谱上只占极小的一段，位于红外线与紫外线之间。太阳光的分解（2）波长在380nm~780nm之间。（3）波长由长到短分别引起人眼红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色感。即可见光包括七种颜色的光。（4）白色光（如：太阳光）是一种复合光，可以分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种光。

（1）发光物体的颜色：其颜色由该发光体所产生的光谱分布来决定。（2）非发光物体的颜色：由照射光源决定由物体的性质决定由人眼的视觉特性决定3、物体的颜色（3）标准白光源

物体的颜色随照射光源变化而变化，要确定物体的颜色，必须确定照射光源。A光源、B光源、C光源、D光源。（实际存在的）

E光源（假想的等能量白光源）。二、人眼彩色视觉特性视网膜上光敏细胞杆状细胞：对亮度敏感，但无色觉。

锥状细胞：对亮度和色度均敏感。有红敏、绿敏和蓝敏三种细胞。1、人眼的视觉特性2、视力范围与电视机屏幕人眼视觉最

清楚的范围水平方向的夹角20°垂直方向的夹角15°屏幕宽高比为4:3或5:4（高清大屏幕一般用16:9）3、亮度特性对同一波长的光，当光的辐射功率不同时，则给人的亮度感觉也不同；辐射功率相同而波长不同，则给人的亮度感觉也是不同的。100806040200相

对

视

敏

度

（%）400500600700

555nm视觉灵敏度：同等能量的光源,人眼对

λ=555nm的黄绿色光的亮度感觉最强。亮度：亮暗如何色调：颜色种类色饱和度：颜色的纯度（即深浅）三、彩色的三要素色调和饱和度合称为色度（F）色度既说明彩色光颜色的类别，又说明了颜色的深浅程度。在彩色电视系统中，实质上是传输图像像素的亮度和色度信息。演示：色调与色饱和度.swf四、三基色原理和混色法

1、混色效应：单色光可以用几种颜色的混合光来等效，几种颜色的混合光可以用其他几种颜色的混合光束等效，这种现象称为混色效应。2、三基色原理

根据人眼彩色视觉的特性及混色效应，可以从可见光中选取三单色按比例混合，来得到其它单色光。（1）三基色的选取：R、G、B。1）人眼对红、绿、蓝比较敏感；2）红、绿、蓝三基色彼此互为独立；3）红、绿、蓝三基色混合而成的彩色较为丰富，几乎能重现自然界中的各种彩色。（2）三基色原理的内容：3）混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定。4）混合色亮度等于三基色亮度之和。3、混色法：利用三基色按不同比例来获得彩色的方法。种类：相加混色法和相减混色法。彩色光的混色：相加混色（如：电视）

彩色颜料的混色：相减混色1）三基色按一定比例混合，可以得到自然界中绝大多数颜色；反之，自然界中绝大多数颜色，都可以分解为三基色。2）三基色必须是相互独立。红绿蓝黄青紫白红色＋绿色

=

黄色

绿色＋蓝色=

青色

蓝色＋红色=

紫色

红色＋绿色＋蓝色=白色

相加混色法：以三圆法来说明红色＋

青色=白色

绿色

＋

紫色=白色

蓝色＋

黄色=白色

两两互为补色红绿蓝黄青紫白演示：相加混色.swf

1)空间相加混色法：将三基色光分别投射到同一表面的三个相邻且足够近的光点上，当人眼离它们有一定的距离时,人眼就会产生三种基色光混合后彩色感觉。2)时间相加混色法：这种方法利用人眼的视觉惰性，顺序地让三种基色先后出现在同一表面的同一点处，当三种基色光交替出现的速度很快时，人眼感觉到的这三种基色光的混合后的彩色。演示:空间混色和时间混色特性.swf五、亮度方程：

Y=0.30R＋0.59G＋0.11B

电压方程形式：亮度方程式在彩色电视技术中有着很重要的地位，对彩色图像进行三基色分解及对三基色进行编码传输，解码都必须遵循的一个基本公式。EY=0.30ER＋0.59EG＋0.11EB

用三基色光配成100%的白光所需三基色的百分比。§3.2彩色图像的分解与重现通过彩色摄像机中的分色光学系统来完成图象三基色分解演示:图像的摄取并转换为电信号的过程.swf§3.2彩色图像的分解与重现被摄物体为一彩条，经过摄像后，在三个摄像管上所形成的三幅基色图像与信号如下：§3.2彩色图像的分解与重现在接收端，利用彩色显像管使三基色光像混合成原彩色图像§3.3兼容制彩色电视制式所谓兼容，是指黑白电视机与彩色电视机可以互相收看彩色电视台与黑白电视台发射的电视节目。正兼容：指黑白电视机能收看彩色电视节目，呈现出的是黑白图像。

逆兼容：彩色电视机能收看黑白电视节目，呈现出的也是黑白图像。§3.3兼容制彩色电视制式为实现彩色、黑白相互兼容，必须先对三个基色信号进行一定的编码。1)亮度信号与色度信号

3.3.1色度信号的编码传输1.色度信号的编码

编码信号(最好包含以下两种)：

1.代表图像明暗程度的亮度信号

2.代表图像彩色的色度信号彩色电视系统的传输信号不能直接采用R、G、B

信号，为兼容选为亮度信号和色差信号。亮度信号将摄像机输出的三基色信号电压，按亮度方程：VY=0.30VR+0.59VG+0.11VB产生方法:由电阻矩阵电路实现。2)色差信号用基色信号减去亮度信号就得到色差信号。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+0.59G+0.11B)=－0.3R+0.41G－0.11B

由于G－Y信号幅值较小,对改善信噪比不利,并且G－Y又可由R－Y和B－Y通过简单的电阻矩阵合成产生,因此电视系统通常只传送Y、R－Y和B－Y这三种信号,而不传送G－Y信号。电压表达式：

VR-Y=0.70VR

-0.59VG

-0.11VBVB-Y=-0.30VR-0.41VG

-0.11VBVY=0.30VR+0.59VG+0.11VB色差信号的获得方法色差信号VG-Y

不传送，按以下关系用矩阵电路得到:0=0.3(R－Y)+0.59(G－Y)+0.11(B－Y)接收端还原三基色信号方法3.3.2频谱间置原理

1.频谱间置1)周期方波信号的频谱分析频谱:是指信号中各种频率成分正弦波的幅度与其频率之间的关系。事实上，所有周期信号的频谱都是分离谱或离散谱，而所有非周期信号的频谱都是连续谱。它是一个由分离的谱线组成的频谱。2)亮度信号的频谱分析简单图像信号的波形和频谱可以看做是以场频信号对行频信号实行了幅度调制的波形，属于一脉冲调幅波以行频fH及其奇次谐波为主谱线、其两侧出现以场频fV为间隔的fH±nfV

、3fH±nfV、5fH±nfV……mfH±nfV的双重离散谱(其中，m、n均为奇数)。可以看出:随着谐波频率的升高，其幅值越来越小，即能量越来越小。实际的活动图像信号仍是行频各次谐波频率的主谱线两侧对称地分布着场频各次谐波频率的谱线群。(注：考虑到实际图像较复杂，并且也不对称，所以还应包括偶次谐波)由于图像信号频谱实际上是呈梳齿状的离散谱，在相邻两组谱线间存在相当大的空隙，所以我们可以将色度信号安插在这些空隙之间。空隙达主谱线间距的

=87.2%每组谱线所占频宽约为2Δf=2×20×50=

2kHzmfH±nfV主谱线两侧边频数一般不超过203)色差信号的频谱及频谱间置色差信号具有和亮度信号相同的频谱结构：mfH±nfV根据大面积着色原理，将色差信号的频带宽度压缩至1.3MHz以下。频谱间置原理通过移频，即通过调制的方法将色差信号的频谱移到亮度信号的频谱中间，实现色差信号的频谱与亮度信号的频谱交错。副载波频率的选择：fsc=(2n－1)fH/2，即半行频的奇数倍。2.全射频彩色电视信号的频域示意图

3.3.3NTSC制编码的基本原理现行三大彩色电视制式：都是兼容制（一个亮度信号，两个色差信号），区别在于色差信号对副载波的调制方式上。

NTSC——正交平衡调幅制。

PAL——逐行倒相正交平衡调幅制。

SECAM——顺序传送彩色与存储制。3.3.3NTSC制编码的基本原理

为使一个载频携带两个色度信号信息,采用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相加（频带宽度没有增加），这一调制方式称正交调幅。如果两个调制信号分别对正交的两个载波进行平衡调幅，其合成信号即为正交平衡调幅信号。

彩色电视系统中，为实现色度与亮度信号频谱交错，应用了正交平衡调幅的方式，只用一个副载波便实现对两个色差信号的传输，而且在解调端采用同步解调又很容易分离出红色差与蓝色差分量。NTSC——正交平衡调幅制组成：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。NTSC制色差信号的正交平衡调幅器原理振幅|F|：取决于色度信号的幅值，决定了所传送彩色的饱和度相角:取决于色差信号的相对比值，因而它决定了彩色的色调。平衡调幅原理单频正弦波sinΩt

的平衡调幅矩形波的平衡调幅不含载频ω0,只有ω0±Ω的两条边线谱由于矩形波可分解为频率为Ω、3Ω、5Ω……各次谐波，因此，可用矩形波的各谐波分别去调制载波，得到频谱为ω0±Ω，ω0±3Ω，ω0±5Ω……等上、下边频带。（1）去掉载频，只发送边频（减少对亮度信号的干扰）（2）幅值正比与调制信号振幅的绝对值。（3）调制信号为正，平衡调幅波与载波同相；调制信号为负，平衡调幅波与载波反相。平衡调幅波的特点：平衡调幅波的解调采用同步检波器，在原载波的正峰点对平衡调幅波取样，得到原来的调制信号。NTSC4.43编码器原理方框图3.3.4PAL制编码的基本原理

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制中对相位失真较敏感的缺点。PAL制——逐行倒相正交平衡调幅制用色差信号(R－Y)和(B－Y)来组成色度信号的。这两个色差信号均只占用0～1.3MHz,且幅度按百分比进行了一定的压缩，从而形成U信号和V信号，即

U=0.493(B－Y)

V=0.877(R－Y)

用压缩后的U、V信号去调制副载波，这样色度信号为

F=U

sinωsct＋V

cosωsct=FU＋FV

在PAL制中，发送端将已调红色差信号FV=V

cosωsct实行逐行倒相。3.3.4PAL制编码的基本原理

即： 发端——周期性改变彩色的相序 收端——采用平均措施，以减轻传输相位误差带来的影响，抵消相位误差1.逐行倒相即编码时

U

信号不变，V

信号逐行倒相。假如第

n

行传输的色度信号为第n+1行传输的色度信号为第n+2行又为如此反复。PAL色度信号可写成：F=U

sinωsct±V

cosωsct=U

sinωsct＋Φk(t)V

cosωsct=|F|sin[ωsct＋j(t)]Φk(t)称为开关函数，为半行频方波，幅值为±1，反映了逐行倒相。式中：

V信号不倒相行称为

NTSC

行(或

N

行)，V

信号倒相行称为

PAL

行(或

P

行)。对紫色其

N

行和

P

行矢量关系及标准彩条信号的

PAL

色度矢量图如图所示。

解调时，必须把倒相行

V

信号的相位倒回去，即把

-90相位行的

V

信号通过电路变换成90相位，称为倒相复原。

2.PAL制编码调制原理

PAL制编码器采用逐行倒相正交平衡调幅，与NTSC制编码器相比，只是多了一个PAL开关，其开关电压由Φk(t)来控制，其主要工作过程可概括如下:

(1)将R、G、B三个基色信号通过矩阵电路，合成亮度信号Y和色差信号U、V。

(2)将U和V信号通过低通滤波器，只保留1.3MHz以下的低频信号。

(3)把带宽限制后的U、V信号分别在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，并分别输出FU和±FV色度分量。

(4)由于色差信号通过低通滤波器后，会引起一定的附加延时，因此，为了使亮度信号和色度信号在时间上一致，预先将亮度信号加以延时，其延时量约为0.6μs。

(5)将FU、±FV两个色度分量与亮度信号Y在加法器叠加，最后输出彩色全电视信号。

PAL制编码调制原理方框图

3.PAL制频谱间置原理由于逐行倒相,需将半行频脉冲对副载波调制,使U分量与V分量的主谱线刚好错开1/2行频。①1/2行频间置

②1/4行频间置：

3.PAL制频谱间置原理半行频间置使Y信号与V信号频谱重叠而相互干扰PAL制采用1/4行频间置，其副载波频率为=283.75fH=4.43359375MHz实际上，为了减小副载波对亮度信号的干扰，改善兼容性，PAL制副载频还附加了25Hz，称为半场频间置，即选择

fsc′=283.75fH＋25Hz=4.43361875MHz②1/4行频间置：

3.PAL制频谱间置原理4.PAL制梳状滤波器解码原理

电视接收机在收到彩色电视信号并将色度信号F取出后，还应通过PAL制梳状滤波器来进行解码，将红、蓝两色度分量FU、FV从色度信号F中分离出来。在PAL解码器中，常采用超声波延时线作梳状滤波器来完成这一功能。4.PAL制梳状滤波器解码原理

设：第n－1行色度信号为

Fn－1=U

sinωsct－V

cosωsct由于V信号逐行倒相，因此

第n行色度信号为

Fn=U

sinωsct＋V

cosωsct工作原理：第n+1行色度信号为:

Fn＋1=U

sinωsct－V

cosωsct

这样，当Fn－1信号经过延时器延时一行(约延时64μs)并反相后，就正好和Fn同时到加法器和减法器中，经相加或相减后可得:

Fn＋(－Fn－1)=2V

cosωsct=2FV

Fn－(－Fn－1)=2U

sinωsct=2FU4.PAL制梳状滤波器解码原理

工作原理：同理，Fn信号经过延时器延时一行再反相后，也正好和Fn＋1同时到加法器和减法器中，经相加或相减后可得:

Fn＋1＋(－Fn)=－2V

cosωsct=－2FV

Fn＋1－(－Fn)=2U

sinωsct=2FU

设：第n－1行色度信号为

Fn－1=U

sinωsct－V

cosωsct由于V信号逐行倒相，因此

第n行色度信号为

Fn=U

sinωsct＋V

cosωsct

第n+1行色度信号为:

Fn＋1=U

sinωsct－V

cosωsct

相减端输出相加端输出PAL频谱相减端幅频特性相加端幅频特性4.PAL制梳状滤波器解码原理

5.超声玻璃延时线

作用：将色度信号进行一行(64μs)的延时并反相，正好和下一行的色度信号同时到达加法器或减法器。演示：超声波延时线原理§3.4PAL制彩色全电视信号3.4.1彩色图像信号分析

1.三基色信号波形分析

100/0/100/0彩条信号2.标准彩条信号的亮度、色差与色度信号波形

2.标准彩条信号的亮度、色差与色度信号波形

平衡调幅3.彩条图形的复合图像信号波形

复合图像信号包括亮度信号Y和色度信号F。从频域来看，亮度信号与色度信号频谱交错;

从时域来看，色度信号叠加在亮度信号电平上。

由图可见，彩条图形的复合图像信号中的黄条和蓝条的最大值分别超过白黑电平±79%。显然，这样的彩条信号不仅会使发射机产生过调制失真，而且还将影响接收机的同步。因此，必须对色度信号的幅度进行压缩。4.色度信号的压缩

通常规定:在100/0/100/0标准彩条信号情况下，取峰值白色电平与黑色电平差为1，即白色电平为1，黑色电平为0，彩条图形的复合图像信号的最大摆动范围不得超过峰值白色电平和黑色电平以外的33%，也就是说，复合图像信号电平的最大摆动范围必须限制在－0.33和+1.33的界限之内。只要将幅度最大的两个非为互补色的色条(例如黄条和青条)的电平都限定在上限1.33处，则其它各色条的电平就都不会超过33%。传送黄条时:传送青条时:将上面两式联立求解，得a=0.877，b=0.493根据这一特点，来求解色差信号(B－Y)和(R－Y)的压缩系数a和b的数值。通常，压缩后的蓝、红色差信号分别用U、V表示为

U=0.493(B－Y)

V=0.877(R－Y)5.彩条图形的色度信号波形及其矢量图

1)彩条色度信号的矢量图彩条色度信号的矢量图就是将代表各彩条的色度信号的振幅和相位,用矢量形式表示在矢量坐标中所得到的矢量图。由式可得考虑B-Y、R-Y色度信号的压缩，对于紫色，有：V=0.877(R－Y)=0.519U=0.493(B－Y)=0.291压缩后的色度信号矢量图压缩后的色度信号波形图已压缩彩条复合图像信号的波形压缩后的色度信号波形图3.4.2色同步信号分析传送逐行倒相的识别信息，用来保证收、发两端的逐行倒相步调、次序一致。（1）提供接收机的频率和相位基准；（2）提供逐行倒相的识别信号。放在每行逆程期、行消隐后肩的消隐电平上，传送9～11个周期的基准副载波。PAL色同步信号的产生：色同步信号矢量图PAL制色同步信号3.4.3彩色全电视信号波形的总结

色度信号电平叠加在亮度信号电平上，它们叠加后的复合信号波形与扫描所需的行、场同步信号，色同步信号以及消隐信号共同构成了彩色全电视信号(即FBAS)。

复合信号又称为彩色全电视信号，可以用

FBAS

表示，其中的

F

代表色度信号，B

代表亮度信号，A

代表复合消隐信号，S

代表复合同步信号和色同步信号。

分量信号：三基色信号

R、G、B；亮度信号

Y、色差信号

R-Y、B-Y；以及

Y、U、V

信号。

复合信号：亮度信号、色度信号和同步信号。

编码：形成复合信号的处理过程。

编码器：完成编码的电路。

PAL制编码/解码器的组成及原理

A.基本概念B.PAL

编码原理

PAL制编码/解码器的组成及原理

C.PAL

解码原理

PAL制编码/解码器的组成及原理

§3.5彩色电视接收机概述1、彩色电视信号的分离§3.5彩色电视接收机概述2、彩色电视机的组成原理§3.6彩色显像管(显示屏）单枪三束栅网管三枪三束荫罩管自会聚管3.6.1彩色显像管的分类及特点§3.6彩色显像管(显示屏）3.6.1彩色显像管的分类及特点3.6.2彩色显像管的色纯与会聚1.色纯度的概念导致色纯度不良的原因：显像管在制造过程中的工艺误差生产彩电厂家色纯调整工作的精度不够生产过程中受到杂散磁场的影响彩色显像管会受地球磁场的影响所谓色纯度，是指单色光栅纯净的程度。3.6.2彩色显像管的色纯与会聚2.会聚的概念静会聚是指屏幕中心区(A区)的会聚,(A区)是以屏幕高度的80%为直径的园内面积;（由显像管制造工艺误差造成）将三条电子束会合在一起，使它们分别同时击中荧光屏上任何同一组三基色荧光粉的方法称为会聚，会聚可分为静会聚和动会聚两种。动会聚指屏幕中心区(A区)以外区域(B区)的会聚，即显像管屏幕四周的会聚。（由荧光屏的曲率中心与电子束的偏转中心不重合造成）彩色显像管馈电电路3.6.3彩色显像管的馈电和附属电路彩色显像管各电极所需电压的大小和种类基本相似，一般可分为灯丝电压、阴栅电压、加速极电压、聚焦极电压及阳极高压等，以上电压均由行输出变压器经整流提供。3.6.3彩色显像管的馈电和附属电路自动消磁电路TFT-LCD液晶显示屏的工作原理1、什么是液晶？液晶彩电也称液晶电视（ＬＣＤ）。液晶彩电的显示屏采用液态晶体材料制成，具有超薄、健康、无辐射和逐点显示等优点。液晶是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又不同于气态的特殊物质态,它既具有各向异性的晶体所特有的双折射性，又具有液体的流动性。TFT-LCD液晶显示屏的工作原理偏光板的光透过图

2、偏光板工作原理TFT-LCD液晶显示器的工作原理

2、偏光板工作原理3、LCD的结构及原理TFT-LCD液晶显示器的工作原理A、TN型LCD显示屏TFT-LCD液晶显示器的工作原理A、TN型LCD显示屏3、LCD的结构及原理TN型Normallywhite及normallyblackB、TFTLCD显示屏ＴＦＴ液晶显示屏是一种薄形的显示器件，它由前后两块相互平行的透明玻璃（衬底）构成，玻璃衬底间充满了ＴＮ型液晶体，四周密封组成了一个扁平状的盒形密封体。在ＴＦＴ液晶显示屏的后玻璃上蚀刻有许多ＴＦＴ器件，每个ＴＦＴ的漏极Ｄ连接到后玻璃上一定面积的导电区，作为像素电极。将同一行像素上的ＴＦＴ器件的栅极Ｇ连接起来，形成行电极（扫描电极）；将同一列像素上的场效应管源极Ｓ连接起来，形成列驱动电极（数据电极）。在ＴＦＴ液晶显示屏的前玻璃上，分布着像素的另一个电极。所有这些电极全部连接在一起，形成一路电极，称为公共（Ｃｏｍｍｏｎ）电极。

液晶电容和存储电容液晶电容ＣＬｃ：约为０．１ｐＦ，实际应用中并无法将电压保持到下一次再更新画面数据的时候储存电容Ｃ：（一般由像素电极与公共电极走线形成），约为０．５ｐＦ，以便让充好电的电压能保持到下一次更新画面的时候。薄膜晶体管（ＴＦＴ）基于场效应管的原理制作而成的。在ＴＦＴ液晶显示屏中，一般将接数据驱动器端接ＴＦＴ器件的源极Ｓ，像素端接ＴＦＴ器件的漏极Ｄ。ＴＦＴ液晶显示屏主要元器件介绍像素电极和公共电极像素电极分布在后玻璃上，公共电极分布在前玻璃上，它们共同构成像素单元。像素电极、