第二章彩色电视制式与彩色电视信号

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。2.1兼容制传送方式2.1.1兼容的必要条件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一致。3彩色电视与黑白电视应有相同的扫描方式及扫描频率。4应尽可能减小黑白电视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大面积着色原理当重现彩色图像时，对面积较大的各种颜色较为敏感，而对彩色的细节部分辨识能力较差。因此，彩色图像的细节部分在一定距离上观看，所表现为亮度上的差别，而无颜色的差别。那么在传送彩色图像时，只有大面积部分需要在传送其亮度信息的同时还必须传送其色度信息。而彩色的细节部分，则可以用亮度信息来取代，例如红色：rMHzMHzMYzMHzYRYYR6~03.1~06~03.1~0)(彩色图像细节部分用亮度信息表示1.0mm2.5mm5mm2.1.3频谱交错原理将色度信号通过一副载波的调制，使谱线搬移，并交错地安插在黑白信号的频谱中去。2.2亮度信号与色差信号Y=0.3R+0.59G+0.11B在Y、R、G、B共4个变量中，只有3个变量时独立的。因此，只要传送Y与三个基色中的任意两个，既满足兼容需要，又可以满足传送亮度与色度信息的需要。在色度信息时，通常选择传送不反映亮度信息色度信息，即色差信息：（R-Y）、（G-Y）、（B-Y）红色差绿色差蓝色差2.2.1亮度、色差与RGB关系亮度关系式：Y=0.3R+0.59G+0.11B色差关系式：(R-Y)=0.7R-0.59G-0.11B(B-Y)=-0.3R-0.59G+0.89B(G-Y)=-0.3R+0.41G-0.11B通常选取(R-Y)与(B-Y)作为传送对象。那么(G-Y)为：(G-Y)=-0.51(R-Y)-0.19(B-Y)将色差信号与Y信号相减即为三基色信号。记住彩色图像摄取在传送黑白电视信号时，其色度信号为零，此时R=G=B=E，Y=0.3E+0.59E+0.11E=ER-Y=E-E=0B-Y=E-E=0若R、G、B不相等，且不为零，此时被传送的彩色为非饱和色。只有其中一个或两个为零，则所传送色彩色为饱和色。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。恒定亮度原理在不计γ失真及传输系统非线性的条件下，色差信号受到干扰时，将不会影响亮度信号。传送后的电视信号：Yt、(R-Y)t、(B-Y)t，显示端的信号为：Rd=(R-Y)t+YtBd=(B-Y)t+YtGd=[-0.5(R-Y)t-0.19(B-Y)t]+Yt所以显示的亮度为Yd为：Yd=0.3Rd+0.59Gd+0.11Bd=Yt对于黑白电视机而言，接收彩色信号时会产生亮度误差，只有接收黑白图像时，亮度误差才为零。2.2.2标准彩条亮度与色差信号的波形与特点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：奇对称、交流、不含直流成分。2.3色度信号与色同步信号2.3.1色度信号形成色度信号：将两个色差信号分别对正交的两个副载波进行平衡调幅而得到的信号。1.平衡调幅：即抑制载波的一种调制方式，调制信号为:载波信号为：所以：tUuscscsccostUucostUtUtUttUUtuUuscscscscscscscsc)cos(21)cos(21coscos)cos(cos)(1平衡调幅平衡调幅的过程就是将调制信号与被调制信号相乘。tUUtUUttUUussssss)cos(21)cos(21coscos1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。2.调幅信号为正值时，平横调幅波与载波同相；调幅信号为负值时，平横调幅波与载波反相。平衡调幅的优点：由于抑制了载波，可使传送同样信息能量所需功率大为减少；减少副载波对亮度过信号的干扰。2正交调幅将两个调制信号分别对频率相等、相位相差90度的两个正交载波进行调幅，然后再将着两个调幅信号进行矢量相加，即可得到正交调幅信号: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：ttUUttUUusssssin)cos(cos)cos(2211tUtUtUtUusssssincoscoscos22113色度信号的形成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，先要进行压缩：U=0.493(B-Y)V=0.877(R-Y)然后U、V分别对两个正交副载波进行调制：色度信号的振幅和相角分别为：VUaVUFmtan,22tVtUFFFtVFtUFscscVUscVscUcossincos,sin正交平衡调幅色地信号形成框图副载波发大U平衡调幅V平衡调幅90度移相UVsinωsctsinωsctcosωsctFvFu2.3.2同步检波原理同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。式中U/2是解调出的色差信号，频带为01.3MHz。同样利用cossct可解调出V信号。tVtUUttVtUttVtUtFscscscscscscscscsc2sin22cos22sincossinsin)cossin(sin2同步检波原理框图乘法器低通滤波90度移相低通滤波乘法器副载波恢复FsinωsctcosωsctUV2.3.3色同步脉冲在同步解调过成中，需要一个与发送端同频、同相的副载波。因此需要在发送端发送彩色全电视信号的同时发出一个能反映发送端副载波频率与相位信息的信号，即色同步信号。2.3.4彩条对应的信号波形及矢量图未压缩彩条信号：如果彩条信号未压缩，则会造成蓝、红条彩条信号幅度高于同步脉冲幅度，破坏同步。黄条、青条信号低于白色电平，甚至小于0，可使发射机产生过调制，造成图像失真，伴音中断。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。2.4NTSC制色差信号及编码、解码过程在平衡调制之前，对被压缩的色差信号U、V进行一定的变换，即产生I、Q信号。I信号带宽为：-1.5～0.5MHz；Q信号带宽为：-0.5～0.5MHz。I、Q信号与U、V信号之间的关系为：0000Vcos33-Usin33IVsin33Ucos33Q2.4.2NTSC制编码方框图矩阵电路低通延迟线平衡调制器平衡调制器+副载波形成电路+延迟线平衡调制器低通RGBYIQ12333180S脉冲K脉冲A脉冲YFBASFbNTSC制解码方框图延迟线带通门电路陷波器同步检波器同步检波器副载波恢复延迟线矩阵电路FBASFbF12333YIQRGB矩阵电路解码矩阵BGRABGRIQY32.028.060.031.052.021.011.059.030.0编码矩阵IQYABGR1NTSC制频带分配谱图-1.250fsc4.5MHz伴音载频图像载频QI2.4.3NTSC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信号带宽为：-1.5～0.5MHz；Q信号带宽为：-0.5～0.5MHz。NTSC制的特点1NTSC制采用1/2行间置，使亮度信号与色度信号频谱以最大距离错开。2信号组成方式简单。3色度信号每行均以同一方式传送。4I信号谱上边带为压缩边带。5不足之处在于存在相位敏感性。2.5PAL制及其编、解码过程PAL制是在NTSC基础上改进并发展产生的。它克服了NTSC制对相位敏感的特点。PAL与NTSC不同之处在于使其中一个色度分量Fv逐行倒相。2.5.1相位失真的概念及影响彩色图像失真：亮度失真、饱和度失真、色度失真。色度失真对人最敏感。而引起色度失真的主要原因在于信号的相位失真。2.5.2PAL色度信号PAL制色度信号Fv分量逐行倒相，其规律是：如果第n行的色度信号为：第n+1行色度信号为：所以PAL制色度信号的表达式为：tVtUFFFscscVUcossintVtUFFFscscVUcossintVtUFFFscscVUcossin隔行扫描逐行倒相的正负号改变规律1(+)314(-)317(+)4(-)2(-)315(+)3(+)316(-)313(+)N(NTSC)P(PAL)PNNPPPNNPPNN4(+)2(+)3(-)1(-)314(+)315(-)316(+)317(-)奇数帧偶数帧逐行倒相色度信号矢量图-FvFn+1FvUVFnFV逐行倒相实现框图U平衡调幅器V平衡调幅器90度移相180度倒相UUcosωsct+VcosωsctV+cosωsctPAL开关-cosωsctcosωsct半行频方波psinωsctsinωsct12XpXV逐行倒相波形关系01002003004005006000(a)01002003004005006000(b)01002003004005006000(c)(a)半行频波(b)90度移相后的副载波(c)逐行倒相输出副载波逐行倒相关系式式中m为正整数，且取奇数；=2fH/2。所以±fv信号也是具有以fH为间隔，与fu相加有的信号频谱刚好错开半个行频。mktmmtsin14)(mmSCSCSCktmmtmmtt)sin(1)sin(12cos)(PAL色度信号频率（a)(b)(c)fffUUUUUUUUVVVVVVVVVUUUUUUUUVVVVVVVVfHfHfHfHfH/2fH/2fscfsc2.5.3PAL克服相位敏感原理△φFnF’n+1F’n+1Fn+1F’nF’UFn(N行）F方位UVVFn+1(P行）α-α00相位无失真情况相位失真情况2.5.4PAL副载波选择分解图(a)(b)(c)fH/2fH/2fH/2fH/2fscfscfscfH/4fH/4fH/2UUUUVVVVVVVVVVVVUUUUYYYYYYYYYYYVVVVVVUUUUY行频与副载频之间关系副载频与整数行频有1/4fH的频差，称之为为1/4行间置。对于PAL制来说，fH=15625Hz，fv=50Hz，带宽为6MHz，根据fsc尽量高的原则，取n=284，所以fsc为：fsc=(284-1/4)*15625+25Hz=4.43361875MHz式中25Hz是为使色度信号与亮度信号副谱线之间的间距增大，减少亮色干扰。HSCfnf41记住2.5.5制色同步信号PAL制彩色电视机在解调色度信号时，需要对PAL行送-cossct副载波，而对NTSC行送cossct副载波。因此需要一个识别PAL行与NTSC行的识别信息。这个识别信息是寄存在每一行的色同步信号相位中，即表现为相邻两行色同步信号的相位不同。PAL制色同步信号矢量方框图U平衡调幅器V平衡调幅器+－K+KSinωsct+cosωsct－90°+90°180°180°－135°＋135°Sin(ωsct±135°）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+135°－135°－45°+45°U2.5.6PAL制编、解码过程PAL解码器及各点波形亮、色信号分离梳状滤波器为了使梳状滤波器能有效地分离两个色度信号，延迟线的延迟时间要有准确的数值，即延迟后色度信号的副载波相位要与延迟前相同或相反，以实现相邻两行色度信号相减或相加时能分别输出两色度分量。而延迟时间d应选择非常接近于行周期64s