第2章 彩色电视制式与精选文档.ppt

第第2章章 彩色电视制彩色电视制式与式与本讲稿第一页，共九十六页2.1 兼容制传送方式兼容制传送方式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。本讲稿第二页，共九十六页(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。本讲稿第三页，共九十六页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。本讲稿第四页，共九十六页2.1.3频谱交错原理图21亮度与色度信号的频谱交错本讲稿第五页，共九十六页 2.2 亮度信号与色差信号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(21)那么,R-Y=R-(0.3R+0.59G+0.11B)=0.7R-0.59G-0.11B(22a)B-Y=B-(0.3R+0.59G+0.11B)=-0.3R-0.59G+0.89B(22b)G-Y=G-(0.3R+0.59G+0.11B)=-0.3R+0.41G-0.11B(22c)本讲稿第六页，共九十六页在已知(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(23)Y=0.3R+0.59G+0.11B(24)用式(24)减去式(23),得0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y)=0则(25)本讲稿第七页，共九十六页接收端由矩阵电路把收到的(R-Y)和(B-Y),按式(25)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(26a)(B-Y)+Y=B(26b)(G-Y)+Y=G(26c)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:本讲稿第八页，共九十六页Y=0.3Ex+0.59Ex+0.11Ex=Ex(27a)R-Y=Ex-Ex=0(27b)B-Y=Ex-Ex=0(27c)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本讲稿第九页，共九十六页比如传送饱和黄色,则可知R=G=1,B=0,其亮度信号和色差信号分别为Y=0.31+0.591+0.110=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。本讲稿第十页，共九十六页于是根据式(26),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本讲稿第十一页，共九十六页因为不计入显像管失真,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(28)本讲稿第十二页，共九十六页图22100%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)色差信号本讲稿第十三页，共九十六页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22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(21)和式(22)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21。本讲稿第十四页，共九十六页表21100%幅度、100%饱和度彩条三基色、亮度、色差电平值本讲稿第十五页，共九十六页图2375%幅度、100%饱和度彩条信号波形本讲稿第十六页，共九十六页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:饱和度%幅度%=(29)(210)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。本讲稿第十七页，共九十六页表2275%幅度、100%饱和度标准彩条三基色、亮度、色差电平值本讲稿第十八页，共九十六页2.3 色度信号与色同步信号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。本讲稿第十九页，共九十六页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u=Ucost,载波信号为us=Uscosst,则调幅后形成的一般调幅波为本讲稿第二十页，共九十六页(211)式(211)说明,普通调幅波的频谱是由载频s和两个边频(s+)、(s-)三个分量组成的,如图24(a)所示,其波形如图25(c)所示。本讲稿第二十一页，共九十六页图24调幅波频谱(a)普通调幅;(b)平衡调幅本讲稿第二十二页，共九十六页图25调幅波波形(a)调制信号;(b)载波;(c)AM波;(d)平衡调幅波本讲稿第二十三页，共九十六页平衡调幅抑制了载波分量,使得调幅波中没有Uscosst一项,因而其表达式变为(212)本讲稿第二十四页，共九十六页由式(212)及图25(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。本讲稿第二十五页，共九十六页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)(213)V=0.877(R-Y)(214)本讲稿第二十六页，共九十六页式中,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sinSCt和cosSCt进行平衡调幅,从而得到两个平衡调幅信号FU=UsinSCt(215)FV=VcosSCt(216)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=UsinSCt+VcosSCt(217)本讲稿第二十七页，共九十六页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26所示。由图26可见,色度信号的振幅和相角分别为(218)(219)本讲稿第二十八页，共九十六页图26彩色矢量图本讲稿第二十九页，共九十六页图27正交平衡调幅色度信号形成方框图本讲稿第三十页，共九十六页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sinSCt相乘:(220)本讲稿第三十一页，共九十六页图28同步检波原理(a)方框图;(b)开关控制示意图本讲稿第三十二页，共九十六页图28同步检波原理(a)方框图;(b)开关控制示意图本讲稿第三十三页，共九十六页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。(221)本讲稿第三十四页，共九十六页图29同步检波器波形分析本讲稿第三十五页，共九十六页图210色同步信号本讲稿第三十六页，共九十六页2.3.4彩条对应的信号波形及矢量图根据表21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23所示。据此绘出的各信号波形如图211所示。本讲稿第三十七页，共九十六页表23未压缩彩条信号有关数据本讲稿第三十八页，共九十六页图211100%幅度彩条波形图(a)Y+Fb+s信号;(b)色度信号F;(c)Y+F+Fb+s信号本讲稿第三十九页，共九十六页图211100%幅度彩条波形图(a)Y+Fb+s信号;(b)色度信号F;(c)Y+F+Fb+s信号本讲稿第四十页，共九十六页设(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:将黄彩条数据代入式(222)得:将青彩条数据代入式(222)得由式(223)和式(224)联立求解,可得:x1=0.493x2=0.877本讲稿第四十一页，共九十六页表24压缩后的彩条数据本讲稿第四十二页，共九十六页图212压缩后的彩条信号波形本讲稿第四十三页，共九十六页图213彩条色度信号矢量图本讲稿第四十四页，共九十六页2.4 NTSC制色差信号及编、解码过程制色差信号及编、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+Vsin33I=U(-sin33)+Vcos33(225)本讲稿第四十五页，共九十六页本讲稿第四十六页，共九十六页利用亮度方程及式(213)和式(214),结合式(225)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(226)Q=0.21R-0.52G+0.31B(227)I=0.60R-0.28G-0.32B(228)本讲稿第四十七页，共九十六页2.4.2NTSC制编、解码方框图NTSC制编、解码方框图分别如图215和图216所示。编码器中,矩阵电路按式(226)式(228)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。本讲稿第四十八页，共九十六页本讲稿第四十九页，共九十六页本讲稿第五十页，共九十六页2.4.3NTSC制的主要参数及性能1.主要参数对于NTSCM(美国制式),场频fV=59.94Hz(60Hz);行频fH=525fV/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217所示。本讲稿第五十一页，共九十六页图217NTSC制彩色全电视信号频谱本讲稿第五十二页，共九十六页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。本讲稿第五十三页，共九十六页(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。本讲稿第五十四页，共九十六页2.5 PAL制及其编、解码过程制及其编、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。本讲稿第五十五页，共九十六页2.5.1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。本讲稿第五十六页，共九十六页2.5.2PAL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色度信号的数学表达式为:F=FUFV=UsinSCtVcosSCt=Fmsin(SCt+)(229)本讲稿第五十七页，共九十六页图218隔行扫描逐行倒相的正负号改变规律(a)奇数帧;(b)偶数帧本讲稿第五十八页，共九十六页图219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本讲稿第五十九页，共九十六页图220逐行倒相实现框图本讲稿第六十页，共九十六页图221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本讲稿第六十一页，共九十六页图222PAL色度信号频谱(a)FU分量频谱;(b)FV分量频谱;(c)色度信号F的频谱本讲稿第六十二页，共九十六页根据傅里叶级数分析,由于K(t)是对原点对称的开关函数,可分解为一系列正弦函数之和,即式中,m为正整数,且m只取奇数;1=2fH/2为基波角频率。由此可求得逐行倒相副载波的各频率分量为(230)(231)本讲稿第六十三页，共九十六页2.5.3PAL制克服相位敏感的原理PAL制采用逐行倒相克服相位失真的原理,可用彩色矢量图予以说明。图223PAL克服相位敏感原理(a)相位无失真情况;(b)相位失真情况本讲稿第六十四页，共九十六页2.5.4PAL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。本讲稿第六十五页，共九十六页图224PAL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;(c)1/4行间置时的频谱结构本讲稿第六十六页，共九十六页使亮度信号Y与两个色度信号分量的频谱相互错开,那么nfH应满足下述关系: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(232)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:本讲稿第六十七页，共九十六页图225PAL亮、色副谱线的相互关系(a)fSC=283.75fH时的谱线关系;(b)增加25Hz后的改善情况本讲稿第六十八页，共九十六页2.5.5PAL制色同步信号PAL制彩色电视接收机在解调色度信号时,需要对PAL行送-cosSCt副载波,对NTSC行送+cosSCt副载波。要做到这一点,需要有一个识别PAL行与NTSC行的识别信号,即需要在发送端提供一个附加信号。本讲稿第六十九页，共九十六页图226PAL制色同步信号本讲稿第七十页，共九十六页2.5.6PAL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229所示。图中给出了方框图上各点的波形。本讲稿第七十一页，共九十六页图227PAL制色同步信号形成方框图本讲稿第七十二页，共九十六页图228PAL色同步信号矢量图本讲稿第七十三页，共九十六页具体编码过程如下:(1)将经过校正的R、G、B三基色电信号通过矩阵电路,变换成亮度信号Y和色差信号(R-Y)和(B-Y)。(2)为了减小亮度信号对色度信号的干扰,让Y信号通过一个中心频率为副载波频率fSC的陷波器并经过放大后与行、场同步及消隐信号相混合。(3)色差信号(R-Y)和(B-Y)经幅度加权和频带压缩后,得到已压缩信号U和V。(4)色度信号F、色同步信号Fb、亮度信号Y与消隐信号A、同步信号S经混合电路后输出彩色全电视信号FBAS。本讲稿第七十四页，共九十六页图229PAL制编码器方框图本讲稿第七十五页，共九十六页2.5.6PAL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。具体编码过程如下:(1)将经过校正的R、G、B三基色电信号通过矩阵电路,变换成亮度信号Y和色差信号(R-Y)和(B-Y)。(2)为了减小亮度信号对色度信号的干扰,让Y信号通过一个中心频率为副载波频率fSC的陷波器并经过放大后与行、场同步及消隐信号相混合。本讲稿第七十六页，共九十六页(3)色差信号(R-Y)和(B-Y)经幅度加权和频带压缩后,得到已压缩信号U和V。(4)色度信号F、色同步信号Fb、亮度信号Y与消隐信号A、同步信号S经混合电路后输出彩色全电视信号FBAS。本讲稿第七十七页，共九十六页图230PALD解码器及各点波形本讲稿第七十八页，共九十六页图231Y与F的分离原理、波形及频谱本讲稿第七十九页，共九十六页根据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(233)因此,d可选择为副载波半周期TSC/2的567倍或568倍。通常选择d为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(234)求得本讲稿第八十页，共九十六页设输入到梳状滤波器的第n行色度信号为F(n)=UsinSCt+VcosSCt=FU+FV(235)则第n+1行色度信号必然为Fn+1=UsinSCt-VcosSCt=FU-FV(236)本讲稿第八十一页，共九十六页根据d的选择知,延时前与延时后的副载波相位相反,若以Fn-1、Fn分别表示经延时后的相应行的色度信号,则Fn-1=-Fn-1=-(UsinSCt-VcosSCt)=-FU+FV(237)Fn=-Fn=-(UsinSCt+VcosSCt)=-FU-FV(238)由此可以求得,第n行输入时,相加电路输出为Fn+Fn-1=(FU+FV)+(-FU+FV)=2FV(239)相减电路的输出为Fn-Fn-1=(FU+FV)-(-FU+FV)=2FU(240)本讲稿第八十二页，共九十六页同理,在第n+1行输入时,相加电路和相减电路分别输出为:Fn+1+Fn=-2FV(241)Fn+1-Fn=2FU(242)依次类推。由式(239)式(242)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232(b)和(a)分别说明了梳状滤波器的频率特性及分离前后的波形及频谱。本讲稿第八十三页，共九十六页图232梳状滤波器方框图及分离色度信号原理(a)梳状滤波器方框图及分离的波形、频谱;(b)梳状滤波器频率特性本讲稿第八十四页，共九十六页(3)梳状滤波器输出的FV信号经V同步解调器,输出V信号;梳状滤波器输出的FU信号经U同步解调器输出U信号。解调器输入、输出波形如图233所示。本讲稿第八十五页，共九十六页图233同步解调器输入、输出波形本讲稿第八十六页，共九十六页(4)频率相同但时域错开的色度与色同步信号,经色同步选通电路,将色同步信号与色度信号分开。(5)亮度通道输出的Y信号和色度通道输出的U、V信号同时输入基色矩阵电路,经基色矩阵电路分解,输出R、G、B三基色信号。其输入、输出波形如图235所示。(6)色同步信号与副载波压控振荡器输出的信号同时送鉴相电路,二者进行相位比较后,输出一个与之相差成正比的直流控制电压,由它再去控制压控振荡器,使其输出副载波频率和相位与发射端相同。本讲稿第八十七页，共九十六页图234色同步与色度的分离原理及波形本讲稿第八十八页，共九十六页图235基色矩阵电路的输入、输出波形本讲稿第八十九页，共九十六页2.5.7PAL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,从而使彩色信杂比提高了3dB。(4)由于NTSC制是1/2行间置,PAL制为1/4行间置。本讲稿第九十页，共九十六页(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。本讲稿第九十一页，共九十六页2.6 SECAM制及其编、解码过程制及其编、解码过程2.6.1SECAM制的主要特点(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。本讲稿第九十二页，共九十六页(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。本讲稿第九十三页，共九十六页2.6.2SECAM制编、解码器的方框图SECAM制编码器如图236所示。由图可见,经校正的三基色信号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。本讲稿第九十四页，共九十六页图236SECAM制编码器方框图本讲稿第九十五页，共九十六页图237SECAM制解码电路方框图本讲稿第九十六页，共九十六页