彩色电视的基本原理.ppt

第第3章章 彩色电视的基本原理彩色电视的基本原理 3.1 色度学的基本知识色度学的基本知识3.2 彩色图像的分解与重现彩色图像的分解与重现 3.3 兼容制彩色电视制式兼容制彩色电视制式3.4 PAL制彩色全电视信号制彩色全电视信号3.5 彩色电视接收机概述彩色电视接收机概述3.6 彩色显像管彩色显像管3.1 色度学的基本知识色度学的基本知识3.1.1光与色光是一种以电磁波辐射形式存在的物质。电磁波的频谱范围很广，包括无线电波、红外线、可见光波、紫外线、X射线、宇宙射线等。可见光随着波长由长到短的变化，对人眼中引起的颜色感觉是不一样的，呈现的色光依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等。以后用“色调”这一术语来表示颜色的类别。电磁波波谱及可见光的波长如图3-1所示。图3-1电磁波的波谱3.1.2彩色的三要素任意一种彩色光，均可用亮度、色调和色饱和度来表示，它们又称做彩色三要素。亮度是指彩色光对人眼所引起的明亮程度感觉。当光波的能量增强时，亮度就增加；反之亦然。此外，亮度还与人眼的光谱响应特性有关，不同的彩色光，即使强度相同，当分别照射同一物体时也会对人眼产生不同的亮度感觉。实验表明：人眼对550nm的光波亮度感觉最灵敏。色调是指光的颜色种类。例如，红、橙、黄、绿、青、蓝、紫分别表示不同的色调，色调是彩色最基本的特性。色饱和度是指彩色的纯度，即颜色掺入白光的程度，或指颜色的深浅程度。某彩色掺入的白光越多，其色饱和度就越低；掺入的白光越少，其色饱和度就越高。不掺入白光，即白光为零，则其色饱和度为100%；全为白光，则其色饱和度为零。通常把色调与色饱和度合称为色度。3.1.3三基色原理根据人眼的彩色视觉特性，在彩色重现过程中，并不要求恢复原景物反射光的全部光谱成分，而重要的是应获得与原景象相同的彩色感觉。我们知道，不同波长的光会引起人眼不同的彩色感觉，同一波长的光引起的人眼彩色感觉是一定的。那么是不是人眼对某一色调的感觉就只能对应一种波长的单色光呢？实践表明，几种不同波长的单色光混合在一起，也可以引起人眼产生与另外一种单色光相同的彩色感觉。实践证明，自然界可见到的绝大部分彩色，都可以由几种不同波长（颜色）的单色光相混合来等效，这一现象叫做混色效应。经进一步研究，人们终于得到了一个重要的原理三基色原理。三基色原理的主要内容是：（1）自然界中的绝大部分彩色，都可以由三种基色按一定比例混合得到；反之，任意一种彩色均可以被分解为三种基色。（2）作为基色的三种彩色，要相互独立，即其中任何一种基色都不能由另外两种基色混合来产生。（3）由三基色混合而得到的彩色光的亮度等于参与混合的各基色的亮度之和。（4）三基色的比例决定了混合色的色调和色饱合度。彩色电视的实现就是基于此三基色原理的。在彩色电视中，通常选用红(用字母R表示)、绿(用字母G表示)、蓝(用字母B表示)作为三种基色光。三基色原理为彩色电视技术奠定了理论基础，极大地简化了用电信号来传送彩色图像的技术问题。彩色混色法有两种：一种是彩色光的混色，这种方式是用加法混色。例如彩色电视中，利用三基色原理将彩色分解和重现，最终使三基色光同时作用于人眼中，视觉相加混合获得不同的彩色感觉。另一种是彩色颜料的混色，是用减法混色，如绘画等，它们的混色规律是不同的。这里只讨论彩色电视所用的相加混色法，其混色规律如图3-2所示。图3-2混色图(a)相加混色图；(b)彩色三角形从图3-2(a)得知：红光绿光黄光红光蓝光紫光绿光蓝光青光红光绿光蓝光白光以上均指各种光等量相加，若改变它们间的混合比例，则可以得到各种颜色的光。为了实现相加混色，除了将三种不同亮度的基色光同时投射到一个全反射表面上从而合成不同的彩色光以外，还可以利用人眼的视觉特性用下列方法进行混色：（1）时间混色法：（2）空间混色法：彩色三角形是一等边三角形，三个顶点放置三基色，其余各混色可相应确定，如图3-2(b)所示，对该图的说明如下：(1)每条边上各点代表的颜色，是相应的两个基色按不同比例混合的混合色。(2)彩色三角形的重心是白色，它是等量的三基色的混合色。(3)每根中线两端对应的彩色互为补色，由于中线过重心，说明两补色间可混合成白色。(4)每边的彩色为纯色，色饱和度为100%。3.1.4亮度方程显像三基色要混合成白光，所需光通量之比是由所选用的标准白光和所选三基色的不同而决定的。实验表明，目前NTSC制彩色电视中，由三基色合成的彩色光的亮度符合下面的关系：Y=0.299R+0.587G+0.114B(3-1)上式为彩色电视中常用的亮度方程，该式定量地说明了由三基色合成彩色光的亮度关系。也是在彩色电视技术中，无论是彩色重现，还是彩色分解都必须遵守的一个重要关系式。由于彩色电视制式不同，所规定的标准白光和选择的显像三基色荧光粉是不一样的。因此，由三基色合成的彩色光的亮度方程也不一样。例如，PAL制的亮度方程为Y=0.222R+0.707G+0.071B但因NTSC制使用较早，所以，PAL制并没有采用它本身的亮度方程，而是沿用了NTSC制的亮度方程。实践表明，由此引起的图像亮度误差很小，完全能满足人眼视觉对亮度的要求。亮度方程通常近似写成：Y=0.30R+0.59G+0.11B(3-2)在亮度方程中，R、G、B前面的系数0.30、0.59、0.11分别代表R、G、B三种基色对亮度所起的作用，称为可见度系数。例如，在一个单位亮度的白光当中，红基色对白光亮度的贡献为30%，绿基色对白光亮度的作用为59%，蓝基色对白光亮度的贡献为11%。当R=G=B=1时，合成的亮度为白色光；当R=G=B=01之间时，则为灰色光；当R=G=B=0时，为黑色光；当R、G、B取不同的值时，就可以配出各种不同色调和不同饱和度的颜色。在彩色电视信号传输过程中，亮度信号和三基色信号是以电压的形式来代表的，因此，亮度方程可以改写成电压的形式，即EY0.30ER+0.59EG+0.11EB这里，EY、ER、EG、EB各代表亮度信号、红基色信号、绿基色信号和蓝基色信号的电压，且分别独立。已知其中任意三种，就可通过加、减法矩阵电路来合成第四种。在后面的讨论中，为了书写方便，仍把以上四种信号电压EY、ER、EG、EB分别以Y、R、G、B来表示。3.2 彩色图像的分解与重现彩色图像的分解与重现 3.2.1彩色图像的分解电视图像是通过摄像管把图像的光信号变成电信号的。但由于一幅图像的细节变化很多，因此不能将整幅图像直接变成电信号，而是先将一幅彩色平面图像分解成许许多多彩色的像素，每一像素均可用亮度、色调和色饱和度这三个要素来表征；再将每一像素顺序转变成电信号。对于活动图像而言，每一像素的三要素都是时间的函数。根据三基色原理，首先，用分色系统把彩色图像分解成红、绿、蓝三幅基色光，同时送到对应的红、绿、蓝摄像管的光敏靶上，三基色摄像管在扫描电路的作用下进行光电转换，然后进行预失真校正，以补偿光电转换系统的非线性。经过光电转换，三基色光就变成了三个电信号ER、EG、GB。这样就完成了图像的分解，如图3-3(a)所示。图3-3彩色电视传送的基本过程3.2.2彩色图像的重现在发送端，用摄像管取得了代表红、绿、蓝三基色的电信号，相应地，在接收端就可以把这三个基色电信号再转换成按比例混合的彩色光，这样就正确地重现了景物的彩色图像。其具体工作过程如下：在接收端，见图3-3，经过传输通道，图像信号又被解码器分解为三个基色信号去控制彩色显像管的三条电子束。在彩色显像管荧光屏上涂敷着按一定规律紧密排列的红、绿、蓝三色荧光粉，显像管的三条电子束在扫描过程中各自轰击相应的荧光粉。3.3 兼容制彩色电视制式兼容制彩色电视制式3.3.1色度信号的编码传输1.色度信号的编码1)亮度信号与色度信号在兼容制彩色电视中，为了做到彩色、黑白相互兼容，重要条件之一就是要求彩色全电视信号和黑白全电视信号一样，也只占有6MHz的带宽。但是彩色图像经电视摄像机就形成了R、G、B三个基色信号，且每一基色信号的带宽都与黑白图像信号的带宽相同，则三个基色占用的频带宽度总和就为18MHz，显然无法兼容传输。因此，彩色电视一般不直接传送这三个基色信号，而必须先对它们进行一定的编码。为了实现兼容，彩色电视编码最好含有两类信号：一种是代表图像明暗程度的亮度信号，另一种是代表图像彩色的色度信号。黑白电视接收机只需接收其中的亮度信号，就能直接收看到彩色电视节目，只不过显示的图像是黑白的；而彩色电视接收机就必须同时接收亮度信号和色度信号，通过解码器处理后，获得R、G、B三基色信号，最后送至彩色显像管重现出彩色图像。由亮度方程Y=0.3R+0.59G+0.11B可知，亮度信号可由R、G、B三基色信号合成。色度信号虽有R、G、B三种，但根据亮度方程，在Y、R、G、B这四个物理量中，只有三个量是独立的。因此，作为传送彩色信息的色度信号只需选择两种基色信号就可以了。例如，可选用Y作亮度信号，选用R、B作色度信号，而G可以通过亮度方程求得。但这样做有个很大的缺点，即亮度信号Y已经代表了被传送彩色光的全部亮度，而R、B本身也还含有亮度成分，这显然是多余的，且在传输过程中易干扰亮度信号Y。为了克服这一缺点，彩色电视系统一般不选用基色本身作为色度信号，而选用的是色差信号。2)色差信号用基色信号减去亮度信号就得到色差信号。例如R-Y、B-Y、G-Y就是三种基色信号分别减去亮度信号Y而形成的，它们分别叫做红色差信号、绿色差信号和蓝色差信号。由亮度方程(3-2)可得出三种色差信号的幅值：R-Y=R-(0.3R+0.59G+0.11B)=0.7R-0.59G-0.11B(3-3)B-Y=B-(0.3R+0.59G+0.11B)=-0.3R-0.59G+0.89B (3-4)G-Y=G-(0.3R+0.59G+0.11B)=-0.3R+0.41G-0.11B(3-5)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，所以电视系统通常只传送Y、RY和B-Y这三种信号，而不传送G-Y信号，其中，Y仅代表亮度信息，而R-Y，B-Y代表色度信息。显然，这给兼容制电视系统提供了方便与可能。图3-4给出了由R、G、B这三种基色信号通过编码合成的亮度信号Y与色差信号R-Y、B-Y的示意图。图3-4由R、G、B合成亮度信号Y与色差信号R-Y、B-Y的示意图3）频带压缩选用亮度信号Y和两色差信号R-Y、B-Y作为彩色电视信号传送，如果不加任何限制和处理的话，则彩色电视信号总的频带依然过宽，技术上还是难以实现，所以必须压缩彩色电视信号的频带宽度。彩色电视的图像清晰度是由亮度信号的带宽来保证的，且为了达到兼容，此亮度信号 必 须 与 黑 白 电 视 信 号 保 持 一 致 的 带 宽（即 06MHz），所以彩色电视信号中的亮度信号不能压缩，必须保持原有的6MHz带宽。根据人眼对彩色细节的分辨能力比对亮度细节的分辨能力低得多这一特点，可将彩色信号的频带加以压缩，不必传送色度信号的高频分量。色度信号的高频分量可由亮度信号来代替，重现的彩色图像效果能够满足人眼的视觉要求。我国彩色电视系统在传送彩色图像时规定：将色度信号带宽由06MHz压缩到01.3MHz。2.传送色差信号的优点1)兼容效果好当选用Y、R-Y、B-Y三种信号时，Y仅代表被传送景物的亮度，而不含色度。而且，当所传送的图像为黑白图片时，色差信号均为零，因为任何黑白图片仅有亮度明暗的层次变化，因此它们的三基色信号总是相等的。例如，传送一灰色时，其三基色信号为R=G=B=0.4V，它们合成的亮度信号Y=0.4V，所以色差信号R-Y,B-Y也为零。因此，色差信号只表示色度不表示亮度。而且三色差信号对亮度的贡献为零。这个道理不难证明，只要将式(3-2)的左边项移到右边，并加以整理便可以得到：0=0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y)(3-6)2)能够实现恒定亮度原理所谓恒定亮度原理，是指被摄景物的亮度，在传输系统是线性的前提下均应保持恒定，即与色差信号失真与否无关，只与亮度信号本身的大小有关。下面举一例子来说明：假设某一时刻为一种偏紫的红色，其三基色信号为R=0.7V，G=0.4V，B=0.5V，由式(3-2)，合成的Y=0.5V，根据色差定义，可用矩阵电路合成得到红色差信号和蓝色差信号为：R-Y=0.7-0.5=0.2VB-Y=0.5-0.5=0V如果我们选用Y、B-Y、B-Y三种独立信号代表彩色信息，并将它们送至接收端，再利用矩阵电路同样可以将以上三信号相加获得R、B基色信号为0.7V、0.5V，同时，也可按式(3-6)合成绿色差信号：G-Y=-0.51(R-Y)-0.19(B-Y)=-0.11V然后再与亮度信号Y相加得到绿基色信号为0.39V，所恢复的三基色信号重现的亮度仍是0.5V。在传输过程中，假若Y信号无失真仍为0.5，而色差信号受干扰，R-Y由0.2V变为0.3V，B-Y由0V变为0.2V，则它们合成的G-Y=0.510.3-0.190.2=-0.191V，在接收端已失真的色差信号与未失真的亮度信号合成后形成的三基色信号为：R=(R-Y)+Y=0.3+0.5=0.8VG=(G-Y)+Y=-0.191V+0.5=0.309VB=0.2+0.5=0.7VY=0.30.8+0.590.309+0.110.7=0.5V显然，色调有失真，红色变得更加偏紫了，但它们合成的亮度信号Y仍然是0.5V，即此时所显示的亮度仍然与失真前的相同。这就进一步说明色度通道的杂波干扰不影响图像亮度，使图像的质量得到了保证。3)有利于高频混合由于传送亮度信号占有全部视频带宽06MHz，而传送色度信号只利用较窄的频带01.3MHz。因此，电视接收机所恢复的三个基色信号就只包含较低的的频率成分，反映在画面上，只表示大面积的彩色轮廓；而图像彩色的细节，即高频成分则由亮度信号来补充。这就是说，由亮度信号显示出一幅高清晰度的黑白图像，再由色度信号在这个黑白图像上进行大面积的低清晰度着色。此时人眼感觉到的就是一幅高质量的彩色图像画面。这就是所谓的大面积着色原理，又叫做高频混合原理。选用色差信号是有利于高频混合的。为了在接收端能够得到带宽为06MHz的三个基色信号。只要将01.3MHz窄带的色差信号混入一个06MHz全带宽的亮度信号中，就可以达到混合高频的目的。用亮度信号中的高频分量代替基色信号中未被传送的高频分量可用公式表示如下：(R-Y)01.3MHz+Y06MHz=R01.3MHz+Y1.36MHz（3-7）(G-Y)01.3MHz+Y06MHz=G01.3MHz+Y1.36MHz（3-8）(B-Y)01.3MHz+Y06MHz=B01.3MHz+Y1.36MHz（3-9）3.3.2频谱间置原理1.频谱间置1)周期矩形脉冲波信号的频谱分析所谓频谱，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。这里先分析一个周期为T的矩形脉冲波信号的频谱。图3-5（a）为一周期矩形脉冲波信号，按傅里叶级数展开的表达式为其中，=2/T。这表明：周期矩形脉冲波信号是由1,3,5,等奇次谐波组成的，且随着谐波次数的增高，幅度是逐渐减少的。图3-5（b）是周期矩形脉冲波信号的频谱，这是一个由分离的谱线组成的频谱。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。图3-5周期矩形脉冲波及其频谱(a)周期矩形脉冲波波形；(b)周期矩形脉冲波频谱2)亮度信号的频谱分析亮度信号本来是非周期性的，但由于电视图像信号采用了周期性扫描，使得视频信号具有一定的周期性。下面分析几种简单静止图像的对应信号波形及其频谱，以便找出一般图像信号的频谱规律。图3-6(a)所示的是一幅亮度在垂直方向突变(上半部黑、下半部白)的简单图像,则其对应的图像信号为E(t)，是以场为周期的矩形脉冲波（图中画的是负极性图像信号的波形，并忽略行、场逆程的间隙），其频谱|A(f)|是以场频fV为间隔的离散谱。图3-6简单图像信号波形和频谱图3-6(b)所示的是一幅亮度在水平方向突变(左半部黑、右半部白)的简单图像,则其对应的图像信号为E(t)，是以行为周期的矩形脉冲波，其频谱|A(f)|是以行频fH为间隔的离散谱。图3-6(c)所示的是一幅既在水平方向，又在垂直方向有变化的静止图像，则其对应的图像信号为E(t)，它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。这种调幅波的载频为行频fH及其奇次谐波；而调制信号的频率则为场频fV及其奇次谐波。因此，其频谱|A(f)|是以行频fH及其奇次谐波为主谱线、其两侧出现以场频fV为间隔的fHnfV，3fHnfV，5fHnf V，mfHnfV的双重离散谱(其中m、n均为奇数)。从图3-6(c)还可以看出：随着谐波频率的升高，其幅值越来越小，即能量越来越小。这种情况可用图3-7画出的活动图像信号的频谱来表示。这些谱线群也可用mfHnfV表示，这里m和n为包括零在内的正整数。图3-7活动图像信号的频谱由图3-7可知，各主谱线族间存在很大空隙，间隔为fH=15.625kHz。研究表明：由于图像在垂直方向变化较慢，因此，主谱线两侧的边频数n一般不超过20，如以n20,fV=50Hz来 计 算，则 每 组 谱 线 所 占 频 宽 约 为2f=22050=2kHz，其 空 隙 达 主 谱 线 间 距 的(15625-2000)/15625=87.2%，而且主谐波次数越高，幅度衰减越快，所以空隙也越大。对于动作快的图像，空隙要小一些，但在整个频谱中还有很大区域是没有图像信息的。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。m的取值由电视传输系统的视频带宽所决定，例如按我国的电视标准，m的最大取值为6MHz/15625Hz=384。严格来讲，在隔行扫描的情况下，若考虑到奇、偶两场信号的差异，则图像信号的重复频率就为帧频。因此，离散谱线将以帧频为间隔。3）色差信号的频谱分析由于色差信号和亮度信号一样都是由三基色信号产生，并按同一扫描方式进行传送的，因此色差信号具有和亮度相同的频谱结构，只不过色差信号的频带宽度已被压缩到1.3MHz以下而已。色差信号的频谱也可用mfHnf V表示，按我国的电视标准，m的最大取值为1.3MHz/15625Hz=83，如图3-8（a）所示。图3-8亮度与色度信号频谱间置示意图4)频谱间置色差信号虽经频带压缩，但它在频域中与亮度信号仍是重叠的，若不加处理而直接混合传送的话，接收端是无法将它们分开的。解决该问题的办法之一是移频，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。亮度信号的频谱显示，其能量一般集中在低频段附近。为了减少色度信号对亮度信号的影响，可借助副载波频率fSC把色度信号安插在亮度信号的频谱的高频段，并把fSC选择在亮度信号主谱线的空隙中间，也就是fSC=(2n-1)fH/2，即半行频的奇数倍。图3-8（c）中的副载波频率fSC正好是行频fH的283.5倍。因此，正好通过幅度调制，将色差信号的频谱搬到亮度频谱间隔的中央(当然，这并非唯一选择，只要将已调的色差信号频谱安插在亮度主谱线间隙中间即可)。这样就实现了色差信号的频谱与亮度信号的频谱间置，就好像农作物的间种法一样，互相错开地排列，使色度信号频谱与亮度信号频谱互不干扰，且在频带内各占有一定的能量，这就是频谱间置原理。图3-8（d）画出了色度信号与亮度信号叠加形成的频谱间置示意图。采用频谱间置的方法，既达到了兼容制的目的，也便于接收机根据其频谱分量的不同，分别取出各自所需的信号。2.全射频彩色电视信号的频域示意图彩色全电视信号(FBAS)是由黑白全电视信号(即含有同步、消隐信号在内的亮度信号)与色度信号叠加而成的。它仍采用残留边带方式并与高频伴音信号合在一起形成全射频彩色电视信号，其频域如图3-9所示。由图可见，彩色电视的频带宽度及频道划分与黑白电视是完全一样的，仅在高频端色差信号对副载波是双边带平衡调幅，且色度信号与亮度信号频谱交错，互不干扰。所以，黑白、彩色电视完全可以兼容。图3-9中，fP为图像载频，fSC为色度副载波频率，fS为FM制伴音信号载频，它仍比图像载频fP高6.5MHz。图3-9彩色电视全射频彩色电视信号3.3.3NTSC制编码的基本原理前面我们已介绍过的频谱间置概念，仅是对一个色差信号进行调制的情况，而实际上有两个色差信号，怎样把两个色差信号同时调制到一个彩色副载频上，采用NTSC正交平衡调幅制是一种简便且行之有效的方法。它是将两个色差信号R-Y和B-Y分别调制在频率相同、相位相差90的两个正交的色副载波上，再将两个输出加在一起送出；在接收机中，则根据相位的不同，从合成的副载波已调信号中可分别取出两个色差信号。因此，这种调制既能在一个副载波上互不干扰地传送两个色差信号，而且便于解调分离，又不增加频带。因为色度信号是与亮度信号一起传送的，色度副载波分量会对亮度信号产生干扰，所以这里采用平衡调幅可以抑制副载波，使色度调幅波对亮度信号干扰减至最小，以改善兼容性。实际上，目前世界彩电广播制式有NTSC、PAL和SECAM三大类。它们都与原来的黑白电视相兼容，也是把图像信号编码成一个亮度信号Y和两个色差信号B-Y、R-Y来传送，其主要区别在于两个色差信号对色副载波的调制方式不同。NTSC制最早是由美国采用的一种正交平衡调幅制。我国目前使用的PAL制就是在NTSC制的基础上作了改进形成的一种制式。法国、东欧使用的SECAM也是针对NTSC制的不足而改进形成的又一制式。下面，我们首先讨论NTSC制的正交平衡调制原理。NTSC制色差信号的正交平衡调幅制的方框图如图3-10(a)所示。它是由两个平衡调幅器、副载波90移相器和线性相加器等部分组成的。由图可知，两个调制器分别输出的信 号 是 红 色 度 分 量(R-Y)cosSCt与 蓝 色 度 分 量(B-Y)sinSCt,它们相互正交，相加后的信号称做色度信号F。显然，色度信号是两个已调色差信号即两个色度分量的矢量和。图3-10(b)画出了色度信号F的矢量图，图中对角线的长度代表色度信号F的幅值，而是F的相角，其矢量式为由上式可知，彩色图像的色度信息全部包含在色度信号的振幅与相角之中，因为振幅F取决于色度信号的幅值，因此，它决定了所传送彩色的饱和度，而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，这就是说，色度信号既是一个调幅波，又是一个调相波，色饱和度是利用已调副载波的幅值来传送的。下面讨论平衡调幅的特性。图-10正交平衡调制原理(a)正交平衡振幅调制方框图；(b)色度信号F的矢量图对于如图3-11(a)所示单频正弦波sint的平衡调幅信号来说，可用以下三角函数表示:sintcos0tsin(0+)t+sin(0-)t式中，cos0t为载频，其波形如图3-11(c)所示。可见，单频正弦波的平衡调幅频谱不含载频0，只有0的两条边线谱，如图3-11(d)所示。图-11正弦波和矩形波对载波进行平衡调幅后的波形和频谱对于矩形波的平衡调幅信号而言，由于矩形波可分解为频率为，3，5，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0，03，05，等上、下边频带，如图3-11(b)、(e)所示。从波形图3-11上看，平衡调幅波的特点为：（1）平衡调幅波的振幅与载波信号振幅无关，而与调制信号振幅成正比，当调制信号为零时，平衡调幅波的幅度也为零。（2）因调制器实际是一个乘法器，因而当调制信号电压为正值时，平衡调幅波与载波同相；而当调制信号电压为负值时，平衡调幅波与载波反相。当调制信号经过零点(以周期调制信号为标准)时，平衡调幅波相位变化180而普通调幅波的特点为：(1)其振幅由载波信号振幅和调制信号振幅共同决定，当调制信号振幅为零时，普通调幅波的振幅等于载波振幅。（2）从频率上看，普通调幅波与载波周期相同。（3）调幅波的包络随调制信号而变化，其包络代表原调制信号。3.3.4PAL制编码的基本原理1.逐行倒相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。它采用色差信号R-Y和B-Y来组成色度信号。这两个色差信号均只占用01.3MHz，且幅度按百分比进行了一定的压缩（具体原因后详），从而形成U信号和V信号，即U=0.493(B-Y)(3-13)V=0.877(R-Y)(3-14)用压缩后的U、V信号去调制副载波，这样色度信号为F=UsinSCtVcosSCt=FUFV(3-15)在PAL制中，发送端将已调红色差信号FV=VcosSCt逐行倒相。例如，传送前一行时为VcosSCt(称为NTSC行)，而传送下一行则变为-VcosSCt(称为PAL行)。当扫描顺序为第n行时，FV=VcosSCt，当扫描顺序为n+1行时，FV=Vcos(SC+180)，即当第n行FV相位为90，则第n1行为270(或-90)，第n2行的相位又回到90,如此反复进行。而矢量FU的相位是不随扫描行序改变的，始终为FU=UsinSCt。因此，相加后色度信号F的相位也是逐行改变的，其数学表达式为(t)=k(t)arctan(3-17)k(t)称为开关函数，为半行频方波，幅值为1，反映了逐行倒相的变化。显然，对于任一色度信号，Fn与Fn1矢量以水平轴U镜像对称。其矢量图和k(t)波形图如图3-12所示。图3-12逐行倒相矢量图与开关函数波形图(a)逐行倒相矢量图；(b)开关函数波形图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k(t)来控制，其调制原理方框图如图3-13所示，其主要工作过程如下：(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，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，还预先将亮度信号加以延时，其延时量约为0.6s；(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。图3-13PAL制编码调制原理框图3.PAL制频谱间置原理在PAL制中，由于V信号逐行倒相，使其频谱分布发生了变化，与不倒相的U信号相比有了差别，使U信号的频谱与V信号的频谱相互错开fH/2。如果仍像NTSC制一样，副载频仍选择为半行频的奇数倍，虽能使Y信号与U信号频谱相互错开fH/2，但却使得Y信号和V信号的频谱相互重合，导致兼容性差，如图3-14(a)所示。为了直观,将V与Y重叠处用虚线表示。图3-14PAL制行频间置的频谱(a)半行频间置的频谱；(b)1/4行频间置的频谱为了使Y信号、U信号和V信号的频谱彼此都能错开，而且相互干扰最小，最好的办法是将Y信号谱线插到U信号和V信号谱线的中间位置，如图3-14(b)所示。为此，PAL制采用1/4行频间置，其副载波频率为实际上，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=283.75fH25Hz=4.43361875MHz这是由于在采用了1/4行频间置后，PAL制比NTSC制半行频间置的副载波干扰严重，为此，PAL制对副载波又提出了场间交错的方法以减小副载波干扰的方法。所谓场间交错，就是让副载波逐场倒相，使相邻两场的干扰方向相反，从而使相邻两场干扰互相抵消。但这种方法要求接收机增加副载波倒相电路，从而造成接收机电路更复杂，因此，一般不采用副载波逐场倒相方式。目前均采用增加25Hz偏置的简单方法来实现场间交错的效果，即让副载频增加25Hz，以便自动实现副载波的逐场倒相。由此可见，PAL制对副载波频率的精度要求是非常高的，允许误差一般仅为15Hz。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，其原理方框图如图3-15所示。由于利用超声玻璃延时线来实现红、蓝两色度分量FU、FV的分离，因此称做延时解调器。又由于延时解调器的幅频特性是梳状的，故又称做梳状滤波器，其解调分离原理如下：图3-15梳状滤波器的原理框图设第n-1行色度信号为Fn-1=UsinSCt-VcosSCt由于V信号逐行倒相，因此第n行色度信号为Fn=UsinSCtVcosSCt第n+1行色度信号为Fn1=UsinSCt-VcosSCt这样，当Fn-1信号经过延时器延时一行(约延时64s)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)=2VcosSCt=2FVFn-(-Fn-)=2UsinSCt=2FU同理，Fn信号经过延时器延时一行再反相后，也正好和Fn1同时到加法器和减法器中，经相加或相减后可得:Fn1(-Fn)=-2VcosSCt=-2FVFn1-(-Fn)=2UsinSCt=2FU可见，从加法器输出的总是逐行倒相的FV色度分量,从减法器输出的则为FU色度分量，从而完成了色度信号F(t)中两个分量FU、FV的分离。5.超声玻璃延时线梳状滤波器中，超声玻璃延时线的作用是将色度信号进行一行(64s)的延时并反相后，正好和下一行的色度信号同时到达加法器或减法器。这样大的延时时间，若用电磁波延时线，因电磁波速度接近光速(3108m/s)而使延时线体积变得很大。超声玻璃延时线是在玻璃棒两端装有压电传感换能器，它把电信号转换成机械振动超声波，它传播到输出端的换能器，又转换成电信号，因超声波在玻璃中的传播速度为2.7103m/s，比电磁波慢得多，所以可以做得体积小而延时时间长。超声玻璃延时线（简称超声延时线）的结构如图3-16所示，它是由一块长约40mm，宽30mm，厚0.8mm的玻璃片，换能器由压电陶瓷材料做成，可以实现电能与机械能之间的转换，换能器与玻璃间由极薄的粘贴层连接。其工作原理是利用玻璃内壁上超声波的五次或七次反射传播而实现延时时间的，误差不大于3ns，通常其具体参数如下：延时时间：63.943s3ns；工作频率：4.43MHz1MHz；插入损耗：-8dB3dB；工作温度：-1050；输入输出阻抗：390；最大输入电压：6V。图3-16五次反射片状超声延时线的结构与符号(a)结构；(b)符号3.4 PAL制彩色全电视信号制彩色全电视信号3.4.1彩色图像信号分析1.三基色信号波形分析构成标准彩条测试信号的R、G、B三基色信号波形，分别如图3-17(b)、(c)、(d)所示。它们是由脉冲电路产生的三组不同脉宽、相同幅度的矩形脉冲波。将这三种矩形脉冲波信号加至彩色显像管，分别控制彩色显像管的三根电子束，并相应射到红、绿、蓝色荧光粉上，利用人眼的空间混色作用，在屏幕上依次显示白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑八种竖条，即如图3-17(a)所示的彩条图形。如果是黑白电视接收机，则只能收看到八种灰度等级不同的竖条。图3-17三基色信号波形及其对应的彩条图形由图可知：显示的中性白色，是由于R=G=B=1，即等量的红、绿、蓝光同时出现混合为白光；R=G=1，而B=0，即等量的红、绿光混合为黄色光，所以显示黄条；对于显示的绿色，是R=0，G=1，B=0，显像管G电子枪的电子束打在显示屏的绿色荧光粉上，使屏幕发出绿光，此时，红、蓝两电子束截止而不发光。同理，可依次推出其它显示的彩条图形。由于把三基色信号与白条对应的电平定为1，与黑条对应的电平定为0，所以，它们是正极性的基色信号。上述的彩条信号是用电的方法产生、模拟和代替彩色摄像机的光色转换信号的，利用该彩条信号可以对整个电视系统的工作作出定量的分析，特别是对电视接收机的性能指标作出准确的鉴定。所以，它是彩色电视中经常使用的一种测试信号，以便于彩色电视系统的调整和测试。图3-17中，与白条对应的各基色信号的电平为1，是基色的最大值；与黑色对应的各基色信号的电平为0，是基色的最小值。因此，三基色信号的电平非0即1，由它们配出来的彩条，没有掺白，幅度最大，所以称之为100%饱和度和100%幅度的标准彩条，可用四个数码表示为100/0/100/0彩条信号。100/0/100/0的具体含义为：第一个“100”表示构成白色的各基色的最大值为100%相对电平值；第一个“0”表示构成黑色的各基色的最小值为0%相对电平值；第二个“100”表示构成彩色的各基色的最大值为100%相对电平值；第二个“0”表示构成彩色的各基色的最小值为0%相对电平值。由于这种彩条信号波形简单，便于使用，因此被广泛用于彩色电视设备的生产和科研中。在后面研究色差、色度信号时，我们就以这种规格的彩条信号作为标准信号。2.标准彩条信号的亮度、色差与色度信号波形由于电视台送出的彩色信号是两个色差信号和一个亮度信号，所以可根据以上100/0/100/0标准彩条信号的规定，利用亮度方程算出各种色调彩条信号的Y、R-Y、B-Y和色度信号F的电平值。例如：在彩条中，黄色彩条对应的数据R=G=1，B=0，算得:Y=0.3010.5910.110=0.89R-Y=0.11B-Y=-0.89同理，可算出彩条中其余各色调的亮度、色差与色度电平值。我们将计算结果列入表3-1中。表3-1100/0/100/0标准彩条信号根据表3-1可画出相应的亮度与色差信号波形图，如图3-18所示。由图可见，彩条信号的亮度级别是递减的，但非等级差，它是一个含有直流分量的正极性亮度信号，而色差信号却是交流信号。图3-18亮度与色差信号波形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。图3-19画出了上述彩条图形的色度信号与亮度信号叠加后的复合图像信号波形。图3-19彩条图形的复合图像信号波形4.色度信号的压缩从图3-19可知，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。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。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(3-10)可得：例如，压缩后的100/0/100/0彩条信号中的紫色，据表3-1，其R-Y=0.59，B-Y=0.59，则有：同样，我们也可将其它的色度信号的幅度与相位计算出来，并列入表3-2中。根据此表可画出色度信号的矢量图，如图3-20所示。表3-2已压缩的100/0/100/0标准彩条信号图3-20压缩后的色度信号矢量图由压缩后的色度信号矢量图可知：(1)不同色调的矢量处在平面的不同位置上，正如时钟用不同的方位代表不同的时刻一样，用其不同的方位来表示不同的色调，因而常称色度信号矢量图为“彩色钟”。(2)互补的两个颜色矢量长度是相同的，即此两个色度信号矢量之和为零。(3)色调相同而饱和度不同的颜色，其色度信号的初相不变，仅矢量的大小改变。(4)矢量图中，任意两个矢量相加可得第三个矢量，合成矢量表示该两种彩色混合后的色调。如绿加蓝，可得青色(见图3-20中虚线合成的矢量)，这样比用公式计算要方便得多。2)色度信号波形的特点根据表3-2，还可画出已压缩的100/0/100/0彩条色度信号波形图，如图3-21所示。由图3-21可以看出，色度信号波形有以下几个特点：(1)压缩后的V、U色差信号经副载波正交平衡调幅后，所得的FV与FU仍然是相互正交的，即使FV分量要逐行倒相，仍与FU保持正交关系。(2)色差信号对彩色副载波进行