第2章彩色电视制式与.

第2章彩色电视制式与彩色电视信号2.1兼容制传送方式2.2亮度信号与色差信号2.3色度信号与色同步信号2.4NTSC制色差信号及编、解码过程2.5PAL制及其编、解码过程2.6SECAM制及其编、解码过程2.1兼容制传送方式2.1.1兼容的必备条件要实现彩色与黑白电视兼容,彩色电视应满足以下基本条件:(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,而且应该有相同的频带宽度、图像载频和伴音载频。(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。2.1.2大面积着色原理电视图像的水平清晰度是和信号的频带宽度成正比的。水平清晰度每增加80线,相当于视频带宽增加1MHz。因而可用6MHz带宽传送亮度信号,而用窄带传送色度信号。2.1.3频谱交错原理图2―1亮度与色度信号的频谱交错2.2亮度信号与色差信号2.2.1亮度、色差与R、G、B的关系由亮度方程知Y=0.3R+0.59G+0.11B(2―1)那么,R-Y=R-(0.3R+0.59G+0.11B)=0.7R-0.59G-0.11B(2―2a)B-Y=B-(0.3R+0.59G+0.11B)=-0.3R-0.59G+0.89B(2―2b)G-Y=G-(0.3R+0.59G+0.11B)=-0.3R+0.41G-0.11B(2―2c)在已知(R-Y)和(B-Y)的情况下,可以容易地按照下述步骤求得(G-Y)。由Y=0.3Y+0.59Y+0.11Y(2―3)Y=0.3R+0.59G+0.11B(2―4)用式(2―4)减去式(2―3),得0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y)=0则0.30.11()()0.51()0.19()0.590.59GYRYBYRYBY(2―5)接收端由矩阵电路把收到的(R-Y)和(B-Y),按式(2―5)恢复出(G-Y),然后再以矩阵电路使之分别与Y信号相加,从而恢复出三基色。即(R-Y)+Y=R(2―6a)(B-Y)+Y=B(2―6b)(G-Y)+Y=G(2―6c)在传送黑白电视信号时,因色度信号为零,R、G、B应相等。设R=G=B=Ex,则利用亮度方程可求得:Y=0.3Ex+0.59Ex+0.11Ex=Ex(2―7a)R-Y=Ex-Ex=0(2―7b)B-Y=Ex-Ex=0(2―7c)这就说明,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=G=B比如传送饱和黄色,则可知R=G=1,B=0,其亮度信号和色差信号分别为Y=0.3×1+0.59×1+0.11×0=0.89R-Y=1-0.89=0.11B-Y=0-0.89=-0.89可见此时(R-Y)和(B-Y)不再为零。于是根据式(2―6),用于重现彩色图像的三基色信号分别为:Rd=(R-Y)t+YtBd=(B-Y)t+YtGd=［-0.51(R-Y)t-0.19(B-Y)t］+Yt因为不计入显像管γ失真,所以显示的亮度Yd将为Yd=0.3Rd+0.59Gd+0.11Bd=［0.3(R-Y)t+0.3Yt］+［-0.3(R-Y)t-0.11(B-Y)t+0.59Yt］+［0.11(B-Y)t+0.11Yt］=Yt(2―8)图2―2100%幅度,100%饱和度彩条信号(a)彩条图像;(b)三基色电压;(c)亮度信号;(d)色差信号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。标准彩条信号有多种规范,图2―2给出的波形称为“100%幅度、100%饱和度”彩条信号。对于这种规范,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(2―1)和式(2―2)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2―1。表2―1100%幅度、100%饱和度彩条三基色、亮度、色差电平值图2―375%幅度、100%饱和度彩条信号波形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:minmaxmn[1()]100%100%aWEEEE饱和度%幅度%=(2―9)(2―10)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。表2―275%幅度、100%饱和度标准彩条三基色、亮度、色差电平值2.3色度信号与色同步信号2.3.1色度信号的形成在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。1.平衡调幅所谓平衡调幅,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,现举例加以说明。设:调制信号为uΩ=UΩcosΩt,载波信号为us=Uscosωst,则调幅后形成的一般调幅波为1()cos(cos)coscoscoscos11coscos()cos()22sssssssssssuUutUUttUtUttUtUtUt(2―11)式(2―11)说明,普通调幅波的频谱是由载频ωs和两个边频(ωs+Ω)、(ωs-Ω)三个分量组成的,如图2―4(a)所示,其波形如图2―5(c)所示。图2―4调幅波频谱(a)普通调幅;(b)平衡调幅图2―5调幅波波形(a)调制信号;(b)载波;(c)AM波;(d)平衡调幅波平衡调幅抑制了载波分量,使得调幅波中没有Uscosωst一项,因而其表达式变为2coscos11cos()cos()22sssuUttUtUt(2―12)由式(2―12)及图2―5(d)可以看出,平衡调幅波的特点是:(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.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(见本章2.4节)。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)(2―13)V=0.877(R-Y)(2―14)式中,0.493和0.877称为色差信号的压缩系数。压缩后的色差信号分别对两个正交副载波sinωSCt和cosωSCt进行平衡调幅,从而得到两个平衡调幅信号FU=UsinωSCt(2―15)FV=VcosωSCt(2―16)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=UsinωSCt+VcosωSCt(2―17)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2―6所示。由图2―6可见,色度信号的振幅和相角分别为22arctanmFUVVU(2―18)(2―19)图2―6彩色矢量图图2―7正交平衡调幅色度信号形成方框图2.3.2同步检波原理同步检波可解调出色差信号,还可由数学分析加以证明。对于U同步检波,色度信号F与sinωSCt相乘:2sin(sincos)sinsincossin11cos2sin2222SCSCSCSCSCSCSCSCSCFtUtVttUtVttVUUtt(2―20)图2―8同步检波原理(a)方框图;(b)开关控制示意图图2―8同步检波原理(a)方框图;(b)开关控制示意图2.3.3色同步信号色同步信号的幅度与同步脉冲幅度相等,若以h表示同步脉冲幅度,Fb表示色同步信号,则色同步信号与彩色电视信号一起传送到接收端,彩色电视机将其从彩色全电视信号中分离出来,由此去控制接收机的副载波发生器,使之产生与发送端副载波同频、同相的恢复副载波。sin()2bSChFt(2―21)图2―9同步检波器波形分析图2―10色同步信号2.3.4彩条对应的信号波形及矢量图根据表2―1所列彩条信号参数,利用公式可分别求得白、黄、青、绿、品、红、蓝、黑所对应的亮度信号、色差信号、色度信号,及亮度与色度的合成信号数据如表2―3所示。据此绘出的各信号波形如图2―11所示。22()()mFRYBY表2―3未压缩彩条信号有关数据图2―11100%幅度彩条波形图(a)Y+Fb+s信号;(b)色度信号F;(c)Y+F+Fb+s信号图2―11100%幅度彩条波形图(a)Y+Fb+s信号;(b)色度信号F;(c)Y+F+Fb+s信号设(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:221222122212[()][()]1.330.89[(0.89)](0.11)1.330.70(0.30)[(0.70)]1.33YxBYxBYxxxx将黄彩条数据代入式(2―22)得:将青彩条数据代入式(2―22)得由式(2―23)和式(2―24)联立求解,可得:x1=0.493x2=0.877表2―4压缩后的彩条数据图2―12压缩后的彩条信号波形图2―13彩条色度信号矢量图2.4NTSC制色差信号及编、解码过程2.4.1I、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。通过几何关系不难推得它们之间有如下关系:Q=Ucos33°+Vsin33°I=U(-sin33°)+Vcos33°(2―25)利用亮度方程及式(2―13)和式(2―14),结合式(2―25)关系可求出Q、I与三基色R、G、B的关系为:Y=0.30R+0.59G+0.11B(2―26)Q=0.21R-0.52G+0.31B(2―27)I=0.60R-0.28G-0.32B(2―28)2.4.2NTSC制编、解码方框图NTSC制编、解码方框图分别如图2―15和图2―16所示。编码器中,矩阵电路按式(2―26)~式(2―28)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之用。2.4.3NTSC制的主要参数及性能1.主要参数对于NTSC―M(美国制式),场频fV=59.94Hz(60Hz);行频fH=525×fV/2=15.734kHz;每帧525行;图像信号标称带宽为4.2MHz;伴音与图像载频之差为4.5MHz;彩色副载波频率fSC=3.57954506MHz。彩色全电视信号频谱如图2―17所示。图2―17NTSC制彩色全电视信号频谱2.主要性能(1)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。2.5PAL制及其编、解码过程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PhaseAlternationLine(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。2.5.1相位失真的