第3章彩色电视信号的传输

第3章彩色电视信号的传输第3章彩色电视信号的传输3.1彩色电视信号的兼容问题3.2NTSC制3.3PAL制3.4SECAM制思考题和习题第3章彩色电视信号的传输3.1彩色电视信号的兼容问题彩色电视是在黑白电视的基础上发展起来的，彩色电视出现以前黑白电视已经相当普及，到目前为止，仍有不少的黑白电视机还在使用。为了普及电视广播、减少国家和千千万万电视用户不必要的损失，彩色电视应该与黑白电视兼容。所谓兼容，就是黑白电视接收机既能接收彩色电视信号，也能重现黑白电视信号；彩色电视接收机既能接收黑白电视信号，也能重现黑白电视信号。第3章彩色电视信号的传输要做到黑白、彩色电视互相兼容，必须满足下列基本的要求：(1)在彩色电视的图像信号中，要有代表图像亮度的亮度信号和代表图像色彩的色度信号。黑白电视机接收彩色节目时，只要将亮度信号取出，就可显示出黑白图像。彩色电视接收机应具有亮度通道和色度通道，当接收彩色节目时，亮度通道和色度通道都工作，重现彩色图像；当接收黑白节目时，色度通道自动关闭，亮度通道相当于黑白电视机，可显示出黑白图像，这样就做到了兼容。第3章彩色电视信号的传输(2)彩色电视只能占有与黑白电视相同的视频带宽和射频带宽，这就要求彩色电视能将色度信号安插到6MHz的视频带宽中去，采用的方法是频带压缩、频谱交错等方法。(3)彩色电视应与黑白电视有相同的图像载频、伴音载频以及两者之间的间距。(4)彩色电视与黑白电视的行、场扫描频率和行、场同步信号的各项标准等都应相同。目前世界上彩色电视制式有NTSC制、PAL制和SECAM制三种，它们都具有兼容性。第3章彩色电视信号的传输3.1.1信号选取要做到兼容，必须对由CCD光电传感器输出的R、G、B三个基色信号进行处理。首先用一个编码矩阵电路根据Y=0.30R+0.59G+0.11B的亮度公式编出一个亮度信号和R-Y、B-Y两个色差信号。色差信号是基色信号R、G、B与亮度信号Y之差：第3章彩色电视信号的传输R-Y=R-(0.30R+0.59G+0.11B)=0.70R-0.59G-0.11BG-Y=G-(0.30R+0.59G+0.11B)=-0.30R+0.41G-0.11BB-Y=B-(0.30R+0.59G+0.11B)=-0.30R-0.59G+0.89B(3-1)三个色差信号中只有两个是独立的，第三个可以由另外两个得到，只要选择两个色差信号就可以代表色度信号。第3章彩色电视信号的传输将Y=0.30R+0.59G+0.11B改写为如下形式：0.30Y+0.59Y+0.11Y=0.30R+0.59G+0.11B得到0.30（R-Y）+0.59（G-Y）+0.11（B-Y）=0可以化为0.590.11()()0.30.30.30.11()()0.590.590.30.11()()0.110.3RYGYBYGYRYBYBYRYGY(3-2)第3章彩色电视信号的传输三大制式均选用R-Y和B-Y作为色差信号的原因是：(1)三个色差信号中，G-Y信号数值最小，作传输信号时信噪比最低。(2)由R-Y和B-Y求G-Y时，系数和小于1，可用电阻矩阵实现；由B-Y、G-Y求R-Y或用R-Y、G-Y求B-Y，系数都大于1，不能用电阻分压来实现，一定要用放大器提供增益，这样会增加系统的复杂性和带来不必要的失真。0.30.590.110.59第3章彩色电视信号的传输用色差信号传送色度信号具有以下优点：(1)可减少色度信号对亮度信号的干扰,当传送黑白图像时,R=G=B,两个色差信号R-Y和B-Y均为零，不会对亮度信号产生干扰。(2)能够实现亮度恒定原理，即重现图像的亮度只由传送亮度信息的亮度信号决定。(3)可节省色度信号的发射功率。在彩色图像中大部分像素接近于白色或灰色，它们的色差信号为零，小部分彩色像素才有色差信号，因此发射色差信号比发射R、G、B信号需要的发射功率小。第3章彩色电视信号的传输3.1.2频带压缩人眼对彩色细节的分辨力比较差，在传送彩色图像时只要传送一幅粗线条大面积的彩色图像配上亮度细节就可以了，没有必要传送彩色细节，这称为大面积着色原理。我国电视标准规定，亮度信号带宽为0～6MHz，色度信号带宽为0～1.3MHz。第3章彩色电视信号的传输在接收端为恢复重现图像所需的三基色信号，先按式（3-2）由R-Y和B-Y得到G-Y信号，再将三个色差信号与亮度信号相加得到三个基色信号。为了得到带宽为0～6MHz的三个基色信号，用亮度信号中的高频分量来代替基色信号中未被传送的高频分量，这就是所谓的高频混合原理。当色差信号的带宽为0～1.3MHz，亮度信号的带宽为0～6MHz时，恢复的三个基色信号为:第3章彩色电视信号的传输R=(R-Y)0～1.3+Y0～6=R0～1.3+Y1.3～6G=(G-Y)0～1.3+Y0～6=G0～1.3+Y1.3～6B=(B-Y)0～1.3+Y0～6=B0～1.3+Y1.3～6最后重现彩色的三个基色信号在0～1.3MHz频率范围内含有彩色分量，在1.3～6MHz频率范围内只有亮度信号分量。第3章彩色电视信号的传输3.1.3频谱交错彩色电视和黑白电视采用相同的带宽，用三基色信号形成亮度信号和两个色差信号后，都放在0～6MHz的频带内用一个通道传送。在0～6MHz频带内先选择一个频率称为彩色副载波，用两个色差信号对彩色副载波进行调制，调制后的信号称为色度信号。将得到的色度信号与亮度信号、同步信号叠加为彩色全电视信号，再去调制图像载波，称为二次调制。二次调制后的射频信号经功率放大后发射出去。第3章彩色电视信号的传输彩色副载波放在6MHz频带的高端以减少彩色干扰和亮度窜色，因为干扰花纹的显眼程度与干扰信号的频率有关，如果色度信号放在低端，干扰显示为粗线条的花纹，十分显眼，而色度信号放在高端，干扰花纹极其细密，不易被人察觉。亮度信号在高频端幅度很小，色度信号放在高端可以减少亮度信号对色度信号的干扰。第3章彩色电视信号的传输因为相邻行图像信号相关性很强和采用周期性扫描，所以黑白电视信号(亮度信号)的频谱结构是线状离散谱。亮度信号虽然占据了0～6MHz的频带宽度，但并未占满整个6MHz的带宽。亮度信号的能量只集中在行频fH及其谐波nfH附近很窄的范围内，随谐波次数的升高，能量逐渐下降。在(n-1/2)fH附近没有亮度信号能量，留有较大的空隙，如图3-1（a）所示。第3章彩色电视信号的传输图3-1（b）是将nfH附近的一族谱线放大，可以看出在行频主谱线两侧有以帧频、场频为间隔的副谱线。当图像活动加快时，各副谱线之间的空隙被填满，但在(n-1/2)fH附近仍有较大的空隙，慢变化的图像频谱空隙达93%，较快变化的图像频谱空隙仍有46%，所以可以将色度信号的频谱插在亮度信号的频谱空隙中间，用一个6MHz带宽的通道同时传送亮度信号和色度信号，这种方法称为频谱交错或频谱间置。第3章彩色电视信号的传输图3-1(a)以行频为间隔的谱线群；(b)每一谱线群结构fHf2fH3fH4fH(a)(b)nfH－150fnfH－100nfH－50－25＋25nfHnfH＋50nfH＋100nfH＋150第3章彩色电视信号的传输色差信号有与亮度信号相同的频谱结构，压缩后占据较窄的频带，如图3-2（a）所示。其表现也是以行频为间隔的谱线群结构。根据副载波平衡调幅形成的色度信号也发生了频谱迁移，各谱线群出现在fSC±nfH处，如图3-2（b）所示。只要选用副载频为半行频的奇数倍，即fSC=(n-1/2)fH，就能将色度信号正好插在亮度信号频谱的空隙间，如图3-2（c）所示。第3章彩色电视信号的传输图3-2(a)色差信号频谱；(b)色度信号频谱；(c)频谱交错fSCffSC4fH3fH2fHfH(a)f(b)fSC－3fHfSC－fHfSC＋3fHfSC＋fHffSC－3fHfSC－fH(c)fSC＋3fHfSC＋fH(a)(b)(c)第3章彩色电视信号的传输3.2NTSC制彩色电视广播发展最早的国家是美国，从1954年1月1日就开始用NTSC(NationalTelevisionSystemsCommittee)制播送彩色电视。采用NTSC制的还有日本、加拿大、墨西哥等国家。NTSC制色度信号采用了正交平衡调幅调制方式，因此又称为正交平衡调幅制。第3章彩色电视信号的传输3.2.1正交平衡调幅平衡调幅又称为抑制载波调幅。抑制载波调幅可以抑制色度信号对亮度信号的干扰并节省发射功率。设用色差信号uR-Y=(R-Y)cosΩt对载波uSC=USCcosωSCt进行调幅，则调幅后信号的数学表达式为[coscos()cos()]22AMSCSCSCSCmmuUttt（3-3）式中，m=(R-Y)／USC。第3章彩色电视信号的传输式(3-3)表明调幅波包含了三个频率：载波频率ωSC和两个边频频率ωSC±Ω。因为载频ωSC上不带任何信息，所以把载频抑制掉可以节省发射功率。载频抑制后成为平衡调幅波，平衡调幅波的数学表达式为[cos()cos()]22coscos()coscoscosBMSCSCSCSCSCSCmmUttmUttRYttt(3-4)第3章彩色电视信号的传输上式表明用一个乘法器将色差信号与载波相乘就可以得到平衡调幅波，如图3-3所示。平衡调幅波有如下特点：(1)平衡调幅波不含载波分量。(2)平衡调幅波的极性由调制信号和载波的极性共同决定，如两者之一反相，平衡调幅波的极性反相；色差信号(调制信号)通过0值点时，平衡调幅波极性反相180°。第3章彩色电视信号的传输(3)平衡调幅波的振幅只与调制信号的振幅成正比，与载波振幅无关。传送图像的色差信号为零时，平衡调幅波的值也为零，这样可以节省发射功率，减少了色度信号对亮度信号的干扰。(4)平衡调幅波的包络不是调制信号波形，不能用普通的包络检波方法解调，只能采用同步检波器在原载波的正峰点上对平衡调幅波取样，才能得到原调制信号。第3章彩色电视信号的传输图3-3(a)色差信号(调制信号)；(b)副载波信号；(c)平衡调幅波B－YsinSCt0000.89180°(a)0°180°0°180°0°0.30.590.590.30.89－0.89－0.590.30.59－0.30.89B－YsinSCt(b)(c)v第3章彩色电视信号的传输为了在同一频带内传送两个色差信号R-Y和B-Y，要将两个色差信号进行正交平衡调幅，这就是用两个色差信号R-Y和B-Y分别对频率相同、相位相差90°的两个色副载波cosωSCt和sinωSCt进行平衡调幅，然后相加成色度信号。图3-4（a）是正交平衡调幅器方框图，由两个平衡调幅器、一个副载波90°移相器和一个线性相加器组成。第3章彩色电视信号的传输图3-4(a)正交平衡调幅器；(b)色度信号矢量图R－YR－Y平衡调幅FR－Y(R－Y)cosSCtcosSCt90°移相sinSCtB－YB－Y平衡调幅(B－Y)sinSCt(a)(b)B－YF第3章彩色电视信号的传输设副载波的幅值为1，色差信号B-Y与副载波sinωSCt在平衡调幅器中相乘后得到平衡调幅信号（B-Y）sinωSCt。副载波sinωSCt经90°移相器后，变成cosωSCt，与色差信号R-Y在平衡调幅器相乘后得到平衡调幅信号（R-Y）cosωSCt，然后在线性相加器中相加，就得到色度信号：22()sin()cos()()sin()sin()SCSCSCmSCFBYtBYtBYRYtFt(3-5)(3-6)(3-7)第3章彩色电视信号的传输式中22()()arctanmFBYRYRYBY(3-9)(3-8)第3章彩色电视信号的传输色度信号的振幅和相角之中包含了彩色图像的全部色度信息,振幅Fm取决于色差信号的幅值，决定了所传送彩色的饱和度；而相角φ取决于色差信号的相对比值，决定了彩色的色调。也就是说，色度信号是一个既调幅又调相的波形，其幅值传送了图