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章 彩色电视信号的传输 ? ? ? ? ? 3.1 兼容制传送方式 3.2 正交平衡调幅 3.3 色度信号及NTSC制编、解码过程 3.4 PAL制及其编、解码过程 3.5 SECAM制及其编、解码过程 1 第三章 彩色电视信号的传输 3.1 兼容制传送方式 3.1.1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。 2 第三章 彩色电视信号的传输 (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。 3 第三章 彩色电视信号的传输 3.1.2 频带压缩实验测定表明，如果离开电视机屏幕一定 距离处，能辨别出白色衬底上直径为1mm的黑 色细节，那么在同样条件下，红色时底上的绿 色细节部分曲直径约为2.5 mm时才能开始加以 辨别，在蓝色衬底上的绿色细节部分直径为 5mm时才能开始加以区别。如果传送的彩色细节尺寸小于上述情况， 那么人眼看到的各个细节部分只能是在亮度方 面存在着差别，而无颜色部分的差异、均表现 为灰色。 4 第三章 彩色电视信号的传输 根据上述分析，在彩色图像传送中，只 有大面积部分需要在传送其亮度信息的同时 还必须传送其色度成分，而颜色的细节部分， 可以用亮度信号来取代。 换言之，把三个基色中的图像信号的高 频分量(对应着图像彩色细节)，可以用一个只 代表亮度的信号来传送。这种方法又常称为 “混合高频原理” 5 第三章 彩色电视信号的传输 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 ～ 6 MHz ， 色 度 信 号 带 宽 为 0 ～ 1.3 MHz。 6 第三章 彩色电视信号的传输 由于每个基色信息中都含有亮度信息， 如果直接传送基色信号，已传送的亮度信 号Y(为各基色亮度总和)与所选出的两个基 色所包含的亮度参量就重复了，因而使得 基色与亮度之间的相互干扰也会十分严重 （带宽不同）。 所以通常选择不反映亮度信息的信号 传送色度信息，例如基色信号与亮度信号 相减所得到的色差信号(R-Y)、(G-Y)和(BY)，可从中选取两个代表色度的信息。因 此，在彩色电视系统中，为传送彩色图像， 选用了一个亮度信号和两个色差信号。 7 第三章 彩色电视信号的传输 当色差信号的带宽为0～1.3 MHz， 亮度 信号的带宽为0～6 MHz 时， 恢复的三个基 色信号为: R=(R-Y)0~1.3+Y0～6=R0～1.3+Y1.3～6 G=(G-Y) 0～1.3 + Y0～6 =G0～1.3+ Y1.3～6 B=(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0～1.3 MHz频率范围内含有彩色分量， 在1.3～6 MHz 频率范围内只有亮度信号分量。 8 第三章 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0～6 MHz的频带内用一个通道 传送。 在0～6 MHz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。 9 第三章 彩色电视信号的传输 彩色副载波放在6 MHz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。 10 第三章 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0～6 MHz的频带 宽度， 但并未占满整个6 MHz 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31（a）所示。 11 第三章 彩色电视信号的传输 图 3-1 亮度信号频谱图? (a) 以行频为间隔的谱线群； (b) 每一谱线群结构 12 第三章 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6 MHz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。 13 第三章 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。 14 第三章 彩色电视信号的传输 图 3-2 频谱交错? (a) 色差信号频谱； (b) 色度信号频谱； (c) 频谱交错 15 频谱间置图 第三章 彩色电视信号的传输 3.2 亮度信号与色差信号 3.2.1 信号选取 要做到兼容， 必须对光电传感器输出 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： 16 第三章 彩色电视信号的传输 亮度、色差与R、G、B的关系 由亮度方程知 Y=0.3R+0.59G+0.11B (3-1) 那么, R-Y=R-(0.3R+0.59G+0.11B)=0.7R-0.59G- 0.11B (3-2a) B-Y=B-(0.3R+0.59G+0.11B)=-0.3R- 0.59G+0.89B (3-2b) G-Y=G-(0.3R+0.59G+0.11B)=-0.3R+0.41G-0.11B (3-2c) 17 第三章 彩色电视信号的传输 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 (3-3) Y=0.3R+0.59G+0.11B (3-4) 用式(3-4)减去式(3-3), 0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y)=0 (3-5) 则 0.3 0.11 G ?Y ? ? (R ? Y ) ? ( B ? Y ) ? ?0.51( R ? Y ) ? 0.19( B ? Y ) 0.59 0.59 18 第三章 彩色电视信号的传输 接收端由矩阵电路把收到的(R-Y)和(B-Y),按 式(3―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 (3―6a) (B-Y)+Y=B (3―6b) (G-Y)+Y=G (3―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: 19 第三章 彩色电视信号的传输 Y=0.3Ex+0.59Ex+0.11Ex=Ex R-Y=Ex-Ex=0 (3―7a) (3―7b) B-Y=Ex-Ex=0 (3―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 20 第三章 彩色电视信号的传输 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=0.89 R-Y=1-0.89=0.11 B-Y=0-0.89=-0.89 可见此时(R-Y)和(B-Y)不再为零。 21 第三章 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。 22 第三章 彩色电视信号的传输 3.2.2 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。对彩色电视系统的传输特性进行测试和 调整。标准彩条信号有多种规范，图3―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。 23 图3-2 100%幅度,100%饱和度彩条信号 (a)彩条图像; (b)三基色电压; 24 (c)亮度信号; (d)色差信号 第三章 彩色电视信号的传输 由式(3-1)和式(3-2)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3-1。表3―1 100%幅度、100%饱和度彩条三基色、亮度、 色差电平值色别 R G B Y R-Y B-Y 白 1 1 1 1.00 0.00 0.00 黄 1 1 0 0.89 0.11 -0.89 青 0 1 1 0.70 -0.70 0.30 绿 0 1 0 0.59 -0.59 -0.59 品 1 0 1 0.41 0.59 0.59 红 1 0 0 0.30 0.70 -0.30 蓝 0 0 1 0.11 -0.11 0.89 黑 0 0 0 0.00 0.00 0.00 25 第三章 彩色电视信号的传输 表3-2 75%幅度、100%饱和度标准彩条三基色、亮度、色差电平值色别 R G B Y R-Y B-Y G-Y 白 1 1 1 1.00 0.00 0.00 0.00 黄 0.75 0.75 0 0.668 0.083 -0.668 0.083 青 0 0.75 0.75 0.526 -0.526 0.224 0.224 绿 0 0.75 0 0.440 -0.440 -0.440 0.310 品 0.75 0 0.75 0.310 0.440 0.440 -0.310 红 0.75 0 0 0.225 0.526 -0.224 -0.224 蓝 0 0 0.75 0.083 -0.083 0.668 -0.083 黑 0 0 0 0.00 0.00 0.00 0.00 26 练习题 ?测验： ? ? ? ? 1、全电视信号包含哪几部分？ 2、行、场同步脉冲宽度各为多少？ 3、行、场消隐脉冲宽度各位多少？ 4、黑白彩色兼容必须满足哪些基本要 求？ 第三章 彩色电视信号的传输 3.3 色度信号及NTSC信号编、解码过程根据前面分析，必须将色差信号调制到副载 波才能实现频谱交错，但是如何进行调制，可选 择的方法不同就产生了不同的彩色电视制式。 3.3.1 色度信号的形成在NTSC制中，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。 29 第三章 彩色电视信号的传输 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： 30 第三章 彩色电视信号的传输 (3-11) 式(3-11)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，调幅 波的波形如图3-4所示。 31 第三章 彩色电视信号的传输 图3-4 调幅波 波形 (a)调制信号; (b)载波; (c)AM波; (d)平衡调幅波 32 第三章 彩色电视信号的传输 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： 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3-5所示。 33 第三章 彩色电视信号的传输 图 3-5 平衡调幅波? 34 (a) 色差信号(调制信号)； (b) 副载波信号； (c) 平衡调幅波 第三章 彩色电视信号的传输 由式(3-12) 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。 35 第三章 彩色电视信号的传输 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。 36 第三章 彩色电视信号的传输 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，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) V=0.877(R-Y) (3-13) (3-14) 37 第三章 彩色电视信号的传输 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 FV=VcosωSCt (3-15) (3-16) 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 38 (3-17) 第三章 彩色电视信号的传输 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3-6所示。 由图3-6可见,色度信号的振幅和相 角分别为 Fm ? U ? V 2 2 (3―18) (3―19) V ? ? arctan U 39 第三章 彩色电视信号的传输 图3―6 彩色矢量图 40 第三章 彩色电视信号的传输 图3―7 正交平衡调幅色度信号形成方框图 41 第三章 彩色电视信号的传输 3.3.2 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: F sin ? SC t ? (U sin ? SC t ? V cos ? SC t ) sin ? SC t ? U sin 2 ? SC t ? V cos ? SC t ?sin ? SC t 1 1 V ? U ? U cos 2? SC t ? sin 2? SC t 2 2 2 42 (3-20) 第三章 彩色电视信号的传输 式中U/2是解调出的色差信号。频带为 0~1.3MHz，其余项是副载波的谐波分量， 频率为8.68MHz，很容易用滤波器滤出， 从而得到色差信号。 同步检波原理方框图如图3-8所示。 43 图3―8同步检波原理方框图 44 第三章 彩色电视信号的传输 3.3.3色同步信号 ? 由于检波原理可知，要实现同步解调，关键是 要有一个与色差信号调制时的副载波同频、同相 的恢复副载波。 由于色度信号中副载波已被平衡调制器所抑 制，所以在彩色电视接收机中要设置一个副载波 产生电路。 ? ? 45 为保证所产生的副载波与发端的副载波同频 同相，需要发端在发送彩色全电视信号的同时发 出一个能反映发端副载波频率与相位信息的信号， 即色同步信号。共电视接收机作为参考。 第三章 彩色电视信号的传输 色同步信号是9个周期左右的、 振幅和相位都恒 定不变的副载频群， 放在行消隐后肩。 如图3-9所 示， 距行同步前沿5.6 μs， 幅度为0.30 V±9 mV， 宽度为2.25 μs±230 ns， 由9±1个副载波频率的 正弦波组成， 其相位与U轴反相。 46 图 3-9 NTSC制色同步信号 第三章 彩色电视信号的传输 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 h Fb ? sin(? SC t ? ? ) 2 (3-21) 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。 47 图3-9 同步检 波器波 形分析 彩色全 电视信号 的形成过 程。 48 第三章 彩色电视信号的传输 3.3.4 NTSC制编、解码过程 NTSC制得名于美国National Television System Committee(国家电视制委员会)，这一 制式是在正交平衡调制之前，将被压缩的色差信 号U、V又进行了一定的变换，从而产生了I，Q信 号，这样做可以对信号进一步压缩。 一、 I、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。 49 第三章 彩色电视信号的传输 图3-10 Q、I轴和U、v轴的关系 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° (3-25) 50 第三章 彩色电视信号的传输 利用亮度方程及式 U=0.493(B-Y) 和式V=0.877(R-Y) ? 结合式Q=Ucos33°+Vsin33° ? I=U(-sin33°)+Vcos33° 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 (3-26) Q=0.21R-0.52G+0.31B I=0.60R-0.28G-0.32B 51 (3-27) (3-28) 第三章 彩色电视信号的传输 二、 NTSC制编、解码方框图 NTSC制编、解码方框图分别如图315和图3-16所示。 编码器中，矩阵电路按式(3-26)~式 (3-28)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。 52 第三章 彩色电视信号的传输 3-11 53 NTSC制编码方框图 第三章 彩色电视信号的传输 图3-12 NTSC制解码方框图 54 第三章 彩色电视信号的传输 三、NTSC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3―13所示。 55 第三章 彩色电视信号的传输 图3―13 NTSC制彩色全电视信号频谱 56 第三章 彩色电视信号的传输 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。 57 第三章 彩色电视信号的传输 (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。 58 第三章 彩色电视信号的传输 3.4 PAL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，电视接收电路简单，图像质量较高 等优点。 但是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。 PAL是Phase Alternation Line(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。 59 第三章 彩色电视信号的传输 PAL的基本出发点是，在发端周期性 的改变彩色相序，而在收端采取平均措施， 这样可以减轻相位误差带来的影响，目前 这种制式是世界上使用的国家和地区是最 多的。 3.4.1 相位失真的概念及影响 彩色电视机不可能完全正确地重现原 景物的亮度、饱和度和色调，因而存在着 失真。彩色图像的失真有亮度失真、饱和 度失真和色调失真。 60 第三章 彩色电视信号的传输 其中，亮度失真主要影响景物的层次， 饱和度失真则改变视色的深浅程度，而色调 失真会造成景物的颜色改变，在以上三种失 真中，人眼对色调的失真最为敏感。 实践证明，要使人眼感觉不到色调畸变， 相位失真应小于±5o，也就是说，在矢量图 上，各种彩色偏离正确的位置的角度不能大 于5o,如果超出这个范围，人眼就可觉察到色 调失真，因此，NTSC制彩色电视系统对整 个传输通道的非线性提出了十分严格的要求， 彩色电视信号的传送是通过光缆、微波接力、 61 卫星转播等进行传输。 第三章 彩色电视信号的传输 在NTSC制式系统中，总的相位失真要 求必须限制在±50范围内，这一点十分困难。 解决办法： 一、提高传输技术，以减小相位失真， 目前因技术的发展，传输技术得以提高，色 调失真减小了。 二、改进制式，由此产生了PAL制，它 就是为解决相位敏感性而发展起来的。 62 3.4.2 PAL制色度信号 PAL制获得色度信号的方法，也是先将三基 色信号R、G、B变换为一个亮度信号和两个色差 信号，然后再用正交平衡调制的方法把色度信号 安插到亮度信号的间隙之中，这些与NTSC制大 体相同。 PAL制色度信号的数学表达式为: F=FU±FV=UsinωSCt±VcosωSCt =Fmsin(ωSCt+φ) (3―29) Fm ? U 2 ? V 2 V ? ? arctan U 63 第三章 彩色电视信号的传输 64 Fm决定所传彩色的饱和度，角度决定了彩 色的色调。 式(3-29) 中的±号表示： 第n行(因为这 一行与NTSC制一样， 又称NTSC行)取正 号， 通常用矢量Fn表示； 第n+1行(又称 PAL行)取负号， 通常用矢量Fn+1表示。如 图3-14所示。 注意：逐行到相并非将整个色度信号倒 相，也不是指行扫描的方向逐行改变，而是 将产生其中的一个色度分量的副载波相位逐 行改变1800 第三章 彩色电视信号的传输 图3―14 隔行扫描逐行倒相的正负号改变规律 (a)奇数帧; 65 (b)偶数帧 第三章 彩色电视信号的传输 假设第n行和第n+1行彩色相同， 例如 彩条信号， 因为Fn和Fn+1的FU分量是同相的， 仅FV分量倒了相， 所以Fn+1应是Fn以U轴为 基准的一个镜像， 图3-15(a)以紫色为例画出 了这种情况。 图3-15(b)则是整个彩条矢量图 逐行倒相的情况， 其中实线表示NTSC行， 虚线表示PAL行。 接收机为了按色度信号原来的相位正确 重现色调， 必须将倒相的PAL行色度信号 Fn+1再重新倒回到Fn的位置上来。 66 第三章 彩色电视信号的传输 图3―15 逐行倒相色度信号矢量图 (a)任一色调的色度信号; (b)彩条矢量逐行倒相情况 67 第三章 彩色电视信号的传输 图3―16 逐行倒相实现框图 68 第三章 彩色电视信号的传输 图3―17 逐行倒相波形关系 (a)半行频方波; (b)90°移相后的副载波 (c)逐行倒相输出副载波 69 第三章 彩色电视信号的传输 色度信号的频谱 色度信号FV分量逐行倒相后，使色度信号的频 谱结构发生了变化，其中FU分量与倒相无关，它的 主谱线位置未变，仍以行频fH为间距，对称分布在 副载波fsc的两旁，如图3-18（a）所示， FU分量的 主谱线位置为fsc±nfH（n=1、2、3…）。 色度信号±FV的主谱线由于逐行倒相，位置发 生了变化。的主谱线分布在 f sc ? (2n ? 1) f H / 2，所以FV的主谱线，刚好和FU 差半个行频。如图3-18（b）所示。 70 第三章 彩色电视信号的传输 图3―18 PAL色度信号频谱 (a)FU分量频谱; (b)±FV分量频谱; (c)色度信号F的频谱 71 第三章 彩色电视信号的传输 3.4.3 PAL制克服相位敏感性的原理 PAL制中将色度信号的FV分量逐行倒相，可以 使相邻两行的相位失真互补， 以减少色调畸变。 由于第n行与第n+1行在屏幕上是上下紧挨着的， 所以假设第n行和第n+1行彩色相同，因此色度信号 Fn和Fn+1以u轴对称。 如彩条信号，某位置是紫色，设第n行(NTSC行) 传送的是Fn矢量，它在第一象限， 相角φ=61°，如 图3-19所示， 第n+1行(PAL行)由于FV分量倒了相， 因此所传送的Fn+1 矢量便到了第四象限，相角φ=61°； 72 第三章 彩色电视信号的传输 图 3-19 相邻两行相位失真互补 73 第三章 彩色电视信号的传输 在接收机中，为了能正确地重现原来 的色调，解调时必须采取相应的措施，把 PAL行色度信号分量重新倒过来。即PAL开关要将倒了相的Fn+1 重新 倒回到Fn的位置， 当传输通道中不产生相 位失真时， Fn和Fn+1矢量的位置不变， 所 以在接收机的荧光屏上最终显示出原来的 紫色； 74 第三章 彩色电视信号的传输 当传输通道中存在相位失真时， 第n 行的矢量Fn产生了一个正的相移Δφ， 即变 成了F'n矢量， 则F'n不再是紫色， 而是紫 偏红。第n+1行为倒相行， 由于n+1行和n行 的色度信号是在同一通道中传送的， 具有 相同的相移， 因此Fn+1 矢量也产生一个正 的相移Δφ, 变成了F'n+1矢量。 75 第三章 彩色电视信号的传输 F'n+1 矢量经接收机中PAL开关倒回到 第一象限为F''n+1矢量， F''n+1矢量比Fn矢量 的相角滞后Δφ, 它的颜色为紫偏蓝， 接收机 最终获得的色度信号是第n行为F'n 矢量(紫 偏红)， 第n+1行为F''n+1矢量(紫偏蓝)。 接收机中再采用一行延时线把前一行的 色度信号延迟后与本行的色度信号相加， 即将矢量F'n和F''n+1合成、平均， 就能使相 邻两行有相反方向色调畸变的色度信号相互 补偿， 得到的将是无色调畸变的紫色。 76 PAL制对相位补偿的过程演示 第三章 彩色电视信号的传输 3.4.4 PAL制副载波的选择 在彩色广播电视系统中，亮度信号和 色度信号必须共同占用与黑白电视信号相 同的信号带宽。 由此确定副载波的频率选择的原则： 应使亮度信号与色度信号频谱的主谱线彼 此错开； 此外，应尽量选择频率较高的副载波， 以减小副载波的谐波干扰。但又不能使调 制后的已调色差信号的上边带超出6MHz 的范围。 77 第三章 彩色电视信号的传输 副载波的谱线具体选择： 由前面分析我们知道，PAL制中已调色 调差信号FU与± FV频谱的主谱线不是占有相 同的位置，而是彼此错开半个行频，即它们 的间距是fH/2，如图3-20（a）所示。如果将副载波频率选择为与整数倍行频 差半行，即采用1/2行间置，必然导致± FV的 主谱线与亮度信号的主谱线重合，如图3-20 （b）所示这样会造成亮度信号与色度信号严 重串扰。 78 第三章 彩色电视信号的传输 图3―20 PAL副载波选择分解图 (a)PAL色度信号频谱图;(b)1/2行间置时的频谱结构; 79 (c)1/4行间置时的频谱结构 第三章 彩色电视信号的传输 如果选择fsc既不等于行频的整数倍， 也不选择1/2行间置，而是做如图3-20（c） 那样的选择，即令nfH位于(fsc+fH/2)之间， 这样就可以使亮度信号与色度信号分量的 频谱相互错开，那么nfH应满足下述关系。 1 fH nf H ? [ f SC ? ( f SC ? )] 2 2 1 f SC ? (n ? ) f H （3-32） 4 80 第三章 彩色电视信号的传输 从而求出: 对于行频为15625Hz，场频为50Hz， 标称视频带宽为6MHz的系统，根据选择 fSC 尽量高的原则，可取式(3―32)中n=284， 这样可以求得副载波频率为283.75fH。实际的PAL制彩电副载波为: f SC 1 1 ? (n ? ) f H ? 25Hz ? (284 ? ) f H ? 25Hz ? 4.43361875 4 4 MHz 81 ?行频间置频谱分布图 第三章 彩色电视信号的传输 增加25Hz的目的在于使色度信号与亮 度信号的副频谱线之间的间距增大到3倍， 减轻副载波的光点干扰的可见度，同时对 改善色度信号与亮度信号的以场频为间隔 的副频谱线之间的交错情况有重要的作用， 也就是说，它是进一步减小亮度、色调干 扰的有效措施。 82 第三章 彩色电视信号的传输 3.4.5 PAL制编、解码过程 1. PAL制编码器及编码过程所谓编码，就是把三基色电信号R、 G、B编制成彩色全电视信号FBAS的过 程，编码器就是用来编码的电路。PAL 制编码器的方框图如图3―21所示。 83 第三章 彩色电视信号的传输 图3―21 PAL制编码器方框图 84 第三章 彩色电视信号的传输 光电传感器送来的三基色信号R、 G、 B通过矩 阵电路产生亮度信号Y和压缩了的色差信号U和V。 为了压缩色差信号带宽， 让U、 V信号通过低 通滤波器， 滤除1.3 MHz以上的高频信号， 然后分 别混入不同极性的K脉冲， 以便在彩色全电视信号 中产生色同步信号。 带有K脉冲的带宽为1.3 MHz的U、 V信号送入U 和V平衡调幅器， 对零相位的副载波和±90°的副 载波进行平衡调幅， 输出的FU和±FV分量在线性相 加器叠加得到有色同步信号的色度信号F。 85 为了减少色度信号对亮度信号的干扰， 将Y信号通过一个中心频率为fSC、 带宽为400 kHz的-6 dB陷波器。 然后， 在亮度信号中混 入复合同步和复合消隐信号。 亮度通道的带宽为6 MHz， 色度通道的 带宽为1.3 MHz， 由于通道延迟时间与带宽 成反比， 亮度信号延迟小于色差信号延迟， 色度信号落后于亮度信号0.6 μs，亮度信号如 果不延时则造成彩色镶边现象。 86 第三章 彩色电视信号的传输 因此将亮度信号延迟0.6 μs使亮度信 号和色度信号在时间上一致。 色度信号F 与亮度信号Y在线性相加器叠加输出彩色 全电视信号。 目前单片编码器集成电路有很多型号， 如日立公司的HA11883MP、 Sony公司的 CX20055等广播级编码器， Motorola公司的 MC1377、 Philips公司的TDA8501等编码器。 这些编码器只要附加少量器件就能组成PAL 制编码器。 87 第三章 彩色电视信号的传输 作业： PAL制电视是如何克服相位敏感性的？ 88 2、PAL制解码器及解码过程 解码器的种类很多，有简单解码器PALS 、 锁相解码器PALN 、延迟解码器PALD，其中， 延迟解码器应用较为广泛。 具体解码过程如图3-22所： （1） 亮度信号和色度信号的分离 中、 小屏幕彩色电视机用频带分离法把 彩色全电视信号分离为亮度信号和色度信号。 彩色全电视信号经4.43 MHz陷波器滤去色度 信号， 得到亮度信号； 彩色全电视信号用 一个中心频率为4.43 MHz, 带宽为2.6 MHz的 带通滤波器选出色度信号。 89 第三章 彩色电视信号的传输 90 图3―23 Y与F的分离原理、波形及频谱 91 图 3-22 PAL解码器方框图 第三章 彩色电视信号的传输 频带分离法简单、 成本低， 但亮度和 色度分离不干净， 图像质量易受影响； 大 屏幕彩色电视机改用频谱分离法， 用梳状 滤波器实现亮度和色度的分离。 92 第三章 彩色电视信号的传输 （2） 色度信号的两个分量FU、 FV的分离 色度信号的两个分量FU、 FV是用频谱分离法分 离的。 由于FV的逐行倒相， 主谱线和FU的主谱线正 好错开半个行频， 因此可以用梳状滤波器进行频率 分离。 梳状滤波器，每隔一个行频有一个最大传输点； 每两个最大传输点的中心是吸收点，两个吸收点的 间距也是一个行频。这样的两个输出对应的最大传 输点与吸收点互相交错。 梳状滤波器由一行延迟线、 加法器和减法器 组成， 如图3-24所示。 93 梳状滤波器频谱特性 第三章 彩色电视信号的传输 当色度信号加到梳状滤波器的输入端后， 信号 分成两路： 一路直接送到加法器和减法器， 称为直 通信号； 另一路通过延时线延迟63.943 μs后送到加 法器和减法器， 称为延时信号， 延时信号比直通信 号延迟283.5个副载波周期， 相位滞后180°。 延时线的 延时过程 94 图3-24 梳状滤波器组成 第三章 彩色电视信号的传输 ? 延时线延迟时间τd应选择得既非常接近 行周期(64μs)，以便相加、减时是相邻行相 应像素间的加或减；而又必须为副载波半 周期的整数倍，以保证延时前、后色度信 号副载波相位相同(0°)或相反(180°)。 根据fSC=283.75fH+25Hz的关系，可以 得到行周期TH 与副载波周期TSC 之间的关 系为 95 第三章 彩色电视信号的传输 25 TH ? 283.75TSC ? TSC ? 283.7516TSC 15625 (3-33) 因此,τd可选择为副载波半周期TSC/2的567 倍或568倍。通常选择τd为 TSC ? d ? 567 ? ? 283.5TSC 2 (3-34) 即延时线输出的副载波信号与输入副载波信号相 位相反。将fSC=4.43361875MHz代入式(3―34)求得 96 第三章 彩色电视信号的传输 1 ? d ? 283.5 ? ? 63.943? s 6 4.433618 ? 10 设输入到梳状滤波器的第n行色度信号为 F(n)=UsinωSCt+VcosωSCt=FU+FV (3-35) 则第n+1行色度信号必然为 Fn+1=UsinωSCt-VcosωSCt=FU-FV (3-36) 97 第三章 彩色电视信号的传输 根据τd的选择知，延时前与延时后的副载 波相位相反，若以F ?n-1、F ?n分别表示经延时后 的相应行的色度信号，则 F'n-1=-F n-1=-(UsinωSCt-VcosωSCt)=-FU+FV (3―37) F'n=-Fn=-(UsinωSCt+VcosωSCt)=-FU-FV (3―38) 98 第三章 彩色电视信号的传输 由此可以求得，第n行输入时，相加电路 输出为 Fn+F'n-1=(FU+FV)+(-FU+FV)=2FV (3―39) ? 相减电路的输出为 ? Fn-F'n-1=(FU+FV)-(-FU+FV)=2FU (3―40) 99 第三章 彩色电视信号的传输 同理，在第n+1行输入时，相加电路和 相减电路分别输出为: Fn+1+F'n=-2FV (3―41) F n+1-F'n=2FU (3―42) 依次类推。由式(3―39)~式(3―42)明 显地看出，梳状滤波器有效地分离了两个 色度分量FU 与±FV 。图3―25说明了梳状 滤波器的频率特性及分离前后的波形及频 谱。 100 第三章 彩色电视信号的传输 101 图 3-25 FU与VV的分离 第三章 彩色电视信号的传输 所以色度信号一行一行地送到梳状滤波 器的输入端， 从加法器输出逐行倒相的FV分 量， 从减法器输出FU分量。 可以证明加法器和减法器的输出幅频特 性具有正弦全波整流的波形， 在某些频率上 信号全通过， 在某些频率上信号被阻止， 通过和被阻止的频率以半行频之差在频率轴 上以梳齿状交错， 这与PAL制色度信号FU、 FV分量的频谱相同， 所以梳状滤波器能有效 地将FU、 FV信号分离。 102 FU、 FV分离的原理 103 第三章 彩色电视信号的传输 （3） 色同步信号和色度信号的分离 可以用时间分离法分开色同步信号和色 度信号。 行同步脉冲前沿延迟5.6 μs产生宽度 为2.26μs的门控脉冲， 在时间上正好对齐色 同步信号； 用两个门电路在门控脉冲控制下交替导 通来实现时间分离， 如图3-26所示。 门控脉 冲无效时， 色同步消隐门导通， 得到色度信 号。 门控脉冲有效时， 色同步消隐门关断， 以阻止色同步信号窜入色度信号； 色同步选 通门导通， 选出色同步信号。 104 第三章 彩色电视信号的传输 图 3-26 105 色同步信号与色度信号的分离 第三章 彩色电视信号的传输 3.4.6 PAL制的主要性能特点根据以上分析，可以对PAL制的性能作如 下小结。 (1)克服了NTSC制相位敏感的缺点。 (2)PAL制采用1/4行间置再加25Hz确定副 载波，有效地实现了亮度信号与色度信号的频 谱交错，因而有较好的兼容性。 (3)梳状滤波器在分离色度信号的同时， 使亮度串色的幅度也下降了3dB，从而使彩色 信噪比提高了3dB。 (4) 由于NTSC制是1/2行间置，PAL制为 1/4行间置，PAL制式编解码比NTST制复杂。 106 第三章 彩色电视信号的传输 (5) 存在行顺序效应，即“百叶窗”效 应。产生行顺序效应的内因是色度信号逐 行倒相，外因是传输误差或解码电路中的 各种误差。上述原因都会引起FU与±FV二 分量互相串扰，又因串扰也是逐行倒相的， 造成相邻两行间较大亮度差异。 107 3.5 SECAM制及其编、解码过程 3.5.1 SECAM制的主要特点 SECAM制是法国工程师亨利·弗朗斯 于1956年提出的， 也是为了克服NTSC制 的相位敏感性而研制的。 SECAM制根据时 分原则， 采用逐行顺序传送两个色差信号 的办法， 在传输通道中无论什么时间只传 送一个色差信号， 这样就彻底解决了两个 色度分量相互窜扰的问题。 108 第三章 彩色电视信号的传输 ? (1)在NTSC和PAL制中，两个色度信 号是同时传送的。 ? (2)SECAM 制 中 ， 发 送 端 对 (R-Y) 和 (B-Y)两个色差信号采用了行轮换调频的方 式。 ? (3)为了传送两个色度分量，就必须采 用两个副载波频率。 ? (4)SECAM制逐行轮换传送色差信号， 使彩色垂直清晰度下降。对有垂直快速运 动的画面，其影响将有所反映。 109 SECAM制的亮度信号是每行都传送， 两个色 差信号则是逐行顺序传送的。 每一行是亮度信号与 一个色差信号同时传送。 在SECAM制中， 色度信号的传送采用调频方 式， 两个色差信号则分别对两个不同频率的副载波 进行频率调制， 这样做可使传输中引入的微分相位 失真的影响较小。 在接收机中， 调频信号在鉴频前先进行限幅， 所以幅度失真的影响也很小。 由于对色差信号可以 直接进行鉴频， 不像PAL制需要恢复彩色副载波， 因此SECAM制的色同步信号是一个行顺序制信号， 在场消隐期间后均衡脉冲之后9行内传送。 110 第三章 彩色电视信号的传输 SECAM制编码对色度信号有两次预加 重处理: 第一次对视频色差信号进行视频预加重; 第二次对已调副载波进行高频预加重。 视频预加重使幅度较小的高频分量得到 较多的提升， 能提高高频分量的信噪比。 高频预加重使传送多数浅色图像时副载波幅 度减小， 从而降低了干扰光点的可见度。 111 第三章 彩色电视信号的传输 ? ? 3.5.2 SECAM制编、解码器的方框图 SECAM制编码器如图3-27所示。由 图可见，经γ校正的三基色信号R、G、B 送入矩阵电路进行线性组合和幅度加权， 形成亮度信号Y和两个加权色差信号DR和 DB。 ? 其 中 ， DR=-1.9(R-Y) 、 DB=1.5(B-Y) 。 DR 式中的负号，表示在对副载波调频时， 正的(R-Y)将引起负的频偏。 112 第三章 彩色电视信号的传输 图3-27 SECAM制编码器方框图 113 图3-28 SECAM制解码电路方框图 114 第三章 彩色电视信号的传输 SECAM制的特点是：传输失真的影响 小， 大面积彩色几乎不受微分增益和微分 相位失真的影响， 微分增益容限可达60%， 微分相位容限可达±40°。 SECAM制接收机比NTSC制复杂， 但 比PAL制简单； 兼容性比NTSC制和PAL 制差， 因为色差信号为零时仍有副载波， 这样会对亮度信号产生干扰； 在正确传送彩色方面， 比NTSC制和 PAL制都好。 法国、 前苏联地区和东欧一 些国家均采用SECAM制。 115 思考和练习题 思考题和习题 ? ? 1. 填空题 (1) 我国电视标准规定， 亮度信号 带宽为_____， 色度信号带宽为 _____ 。 ? (2) 传送黑白图像时两个色差信号 _____， 不会对亮度信号产生干扰。 ? (3) 用两个色差信号对_____进行调 制， 调制后的信号称为色度信号。 117 思考和练习题 ? ? (4) 将色度信号、 亮度信号以及同步、 消隐等信号混合， 就得_____信号。 (5) 将色度信号的频谱插在亮度信号的 频谱空隙中间称为_____。 ? (6) 色度信号的振幅取决于色差信号的 幅值， 决定了所传送彩色的_____； 而相角取 决于色差信号的相对比值， 决定了彩色的 _____。 ? (7) 标准彩条信号由三个_____、 三个 _____加上黑与白共八种颜色的等宽竖条组成。 118 思考和练习题 ? ? ? ? ? ? (8) NTSC制副载波频率选择为_____的倍数， 通 常称为_____。 (9) 对于625行、 50场／s的PAL制, 副载波频率选择 为____MHz。 (10) NTSC制有对相位失真比较敏感的缺点， 容易 产生_____畸变。 (11) I轴， 与V轴夹角_____， 是人眼最敏感的色轴。 (12) PAL制副载频采用_____间置， _____偏置。 (13) PAL制的色同步信号有_____和_____两个功 能。 119 思考和练习题 ? (14)梳状滤波器由____、____和____组 成 ? (15) K脉冲的脉冲前沿滞后于行同步前沿 _____μs， 脉冲的宽度为 _____ μs。 ? (16) 由于通道延迟时间与带宽成反比， 色 度 信 号 落 后 于 亮 度 信 号 ， 造 成 __ ___ 。 120 思考和练习题 ? (17) 中、 小屏幕彩色电视机用 _____法把彩色全电视信号分离为亮度 信号和色度信号。 ? (18) 色同步信号和色度信号的分 离采用_____法。 ? 121 思考和练习题 ? 2. 选择题 ? (1) NTSC 制 一 个 行 周 期 中 有 副 载 波 周 期 （ ）。 ? ① 625个 ② 283个 ③ 283.5个 ④ 312.5个 ? (2) 黑白电视信号能量只集中在（ ）及其 谐波附近很窄的范围内， 随谐波次数的升高， 能量逐渐下降。 ? ① 行频 ② 场频 ③ 帧频 ④ 射频 122 思考和练习题 (3) R-Y信号压缩系数为（ ）。 ? ① 0.877 ② 0.493 ③ 0.788 ④ 0.394 (4) B-Y信号压缩系数为（ ）。 ? ① 0.877 ② 0.493 ③ 0.788 ④ 0.394 (5) PAL解码器中梳状滤波器的加法器输出信号是 （ ）。 ? ① FU ② FV ③F ④ FM (6) PAL解码器中梳状滤波器的减法器输出信号是 （ ）。 ? ① FU ② FV ③F ④ FM 123 思考和练习题 ? (7) PAL制彩色电视中NTSC行色同步信号的相 位为（ ）。 ? ① 180° ② 90° ③ 135° ④ 225° ? (8) PAL制彩色电视中PAL行色同步信号的相位 为（ ）。 ? ① 180° ② 90° ③ 135° ④ 225° ? (9) PAL制彩色副载波频率是（ ）。 ? ① 4.43361875 MHz ② 3.57954506 MHz ? ③ 4.4296875 MHz ④4.43359375 MHz 124 思考和练习题 ? (10) PAL解码器中同步检波器输出的信 号是（ ）。 ? ① FU、 FV ② U、 V ③ R-Y、 B-Y ? ④ Fn、 Fn+1 125 思考和练习题 ? ? ? ? 3. 判断题 (1) 三个色差信号都是相互独立的。 (2) 平衡调幅波包含载波分量。 (3) 平衡调幅波的振幅只与调制信号的振幅成 正比。 ? (4) 调制信号通过0值点时， 平衡调幅波极性 反相180°。 ? (5) 逐行倒相是将色度信号中的FU分量进行逐 行倒相。 ? (6) 人眼分辨红、 黄之间颜色变化的能力最强， 而分辨蓝、 紫之间颜色变化的能力最弱。 126 思考和练习题 ? (7) PAL制减小了相位失真， 防止产生色 调畸变。 ? (8) 为了进行频谱交错， 亮度信号和色 度信号必须采用相同的带宽。 ? (9) 在场同步脉冲期间的9行内， 要把色 同步信号消隐掉。 ? (10) 色同步信号和色度信号的分离是采 用频率分离法。 127 思考和练习题 4. 问答题 (1) 要做到黑白、 彩色电视互相兼容， 必须 满足哪些基本要求？ (2) 三大制式为何均选用R-Y和B-Y作为色差信 号？ (3) 为什么要用色差信号来传送色度信号？ (4) 什么是大面积着色原理和高频混合原理？ (5) 为什么要将彩色副载波放在6 MHz频带的 高端？ 128 思考和练习题 ? (6) 已知基色信号R=0.7、 G=0.3、 B=0， 求Y、 U、 V、 Fm、 φ， 说明对应什么 色调。 ? (7) PAL制是怎么消除相位失真引起的色 调畸变的？ ? (8) 分析三大制式各自的优缺点。 ? (9) 画出PAL制编码器方框图， 简述编 码过程。 ? (10) 画出PAL制解码器方框图， 简述解 码过程的五步信号处理。 129