1、第3章 模拟彩色电视制式,3.1 彩色电视制式概述,黑白电视制式: 扫描行数、场频、带宽、隔行扫描方式 例如：625行制：625行/帧，50场，6MHz，隔行扫描525行制：525行/帧，60场，4.2MHz，隔行扫描 彩色电视制式: 除上述外，亮度和色差信号的处理方式 现行三大彩色电视制式：均为兼容制；区别在于色差信号是否同时传送，以及对副载波的调制方式上： NTSC 同时制，正交平衡调幅。 PAL 同时制，逐行倒相正交平衡调幅。 SECAM 顺序-同时制，顺序传送彩色与存储。, 3.2 NTSC制,3.2.1 正交平衡调幅与正交检波,一般调幅波： 调制信号： u(t) 载波信号： uc(t
2、)=Uccost 已调制信号： uAM(t) = Uc + u(t)cost=uc (t)+u (t)cost,平衡调幅波： 滤除一般调幅波中的载波成份：uBM (t)=u(t) cost,平衡调幅波是调制信号与单位幅度载波的乘积 可用乘法器实现平衡调幅,一般调幅波与平衡调幅波频谱波形图（设u(t)=Umcost）,平衡调幅波的特点,去掉载频，只发送边频 调制信号为零，即u(t)=0时，平衡调幅波uBM(t ) =0 调制信号u(t)为正时,平衡调幅波uBM (t)与原载波同相; 调制信号u(t)为负时,平衡调幅波uBM (t)与原载波反相,正交平衡调幅： 将两个调制信号分别对频率相等、相位相
3、差90的两个正交载波进行平衡调幅，然后再将这两个调幅信号进行相加（频带宽度没有增加），这一调制方式称正交平衡调幅。,色度信号的形成: 色差信号（R-Y）、（B-Y）分别对两个频率相同、相位相差90的副载波平衡调幅,红色度分量： （R-Y）cossc t 蓝色度分量：（B-Y）cos（sc t - 90）=（B-Y）sinsc t 色度信号： CF (t) =（R-Y）cossct +（B-Y）sinsct,优点： 节省带宽：只用一个副载波实现对两个色差信号的传输，在解调端采用同步解调分离出红色差与蓝色差分量。 减少色度信号对亮度信号的干扰：去除了高频振荡的副载波。 传送黑白图像时色度信号为零，
4、不存在对亮度信号的干扰。,色度矢量,色度信号矢量： CF =C sin（sct +) 色度矢量模：代表副载波的瞬时振幅，由色差信号的幅度决定。 色度矢量的相角：,代表副载波的初相位，由色差信号的比例决定。,R-Y,B-Y,C,返回,0360度取值，由R-Y和B-Y的符号决定象限。,CF,同步检波,解调平衡调幅波采用同步检波技术。 方法：用与副载波同频同相的本振载波乘色度信号信号。色度信号： CF (t) =（R-Y）cossct +（B-Y）sinsct 用2cosSCt相乘，解出(R-Y)分量:,低通滤波 : 滤去二倍频副载波信号，得到(R-Y)信号。同理，用sinSC t去乘 CF (t)
5、 ，再经低通滤波后，可得到(B-Y) 信号,色同步信号,色度信号解调 需要同步(同频同相)的色副载波 色同步信号：用位于行同步后肩的、脉宽为91个副载波周期的 K脉冲（旗脉冲）截取相位为180的副载波：eb(t) = K(t) Sin(sct+180),正极性电视信号的色同步信号,色同步信号前沿滞后行同步脉冲前沿5.6s。 色同步信号的幅度与行同步脉冲幅度相等。,负极性视频图像信号的,接收端用锁相原理恢复连续的副载波信号。,压控振荡器,鉴相器,色同步信号eb（t）,V,色同步信号与压控振荡器同频同相，鉴相器输出零电压；否则，输出一定的电压控制压控振荡器。,副载波的恢复,3.2.2 压缩系数,在
6、彩色全电视信号中，色度信号是叠加在亮度信号上的。,未压缩色度信号波形图,对于100-0-100-0彩条信号，黑白电平的变化范围在0到1之间。黄条和青条的最大值分别超过白色电平78和46；红条和蓝条的最小值又分别低于黑条电平40和78。,影响：（对于负极性信号） 蓝条和红条：超过了同步头电平（同步头对应的幅度为 - 0.43V） 破坏同步，使重现图像不稳 黄条和青条：低于白色电平发射机产生过调制；使重现图像严重失真，伴音中断。（接收机中，第二伴音中频是靠图像中频和伴音中频差拍产生的，过调制将使图像中频载波有时为0）,解决： 压缩C，Y保持不变。,压缩方法,要求Y+C的信号最大最小电平分别不超过白
7、电平和黑电平的33%，在-0.331.33V范围内。 选择非互补的两个彩条，按压缩系数k1、k2来压缩色差信号(B-Y)、(R-Y)，即： 黄色：Y+C不超过1.33青色：Y+C不超过1.33,黄色： 青色：得：,压缩后的色差信号（B-Y） 、 （R-Y）称为U 、 V信号：,k1=0.493, k2=0.877,压缩后的色度信号：,C = V + U,色度矢量：,模：,相 角：,3.2.3 波形图和矢量图,100-0-100-0彩条 的Y+C波形,色度压缩前(a),色度压缩后(b),彩色全电视信号： CVBS,复合,视频,同步,消隐,基色与补色的色度信号矢量图：,返回3.3.2,0.63,矢
8、量图要点： 对于100-0-75-0彩条，黄、青条的最大值为1.0。 红色和蓝色并非与红色差和蓝色差轴重合，补色矢量与基色矢量等模反向。 对三基色和三补色而言，当饱和度变化时色度矢量的幅度相应变化而相角不变。 对于其他彩色，当=1时，色度矢量的相角不随饱和度变化。否则不成立。 色度矢量的幅度同时决定于彩色信号的幅度和饱和度。 饱和度相同的彩色信号色度矢量的幅度不一定相同，色度矢量幅度相同的彩色信号饱和度不一定相同。,3.2.4 Q、I色差信号,兼容制彩色电视系统亮度、色差信号在同一频带传输。 如色度信号以双边带传送，对于带宽为4.2MHz的制式来说，采用频谱交错，亮度、色差信号频带将重叠过宽，
9、相互干扰将很严重。如色度信号以不对称边带传送，将在检波解调时引起串色。 解决不传U、V信号，传送Q、I信号 人眼视觉特性对红黄之间颜色的分辨力最强 对蓝品之间颜色的分辨力最弱 在色度图中：以I轴表示人眼最敏感的色轴Q轴表示最不敏感的色轴,Q、I正交轴与U、V正交轴有33夹角的关系， 任一色度既可由U、V表示，也可由Q、I表示。 Q、I正交轴与U、V正交轴关系：Q cos33 sin33 U= I sin33 cos33 V,Q、I与U、V关系,U cos33 sin33 Q= V sin33 cos33 I,V,I,U,Q,33,33,Y、Q、I与R、G、B关系,Y 0.299 0.587 0
10、.114 R Q = 0.211 0 .523 0.312 GI 0.596 0.275 0.322 B,由亮度方程： Y=0.299R+0.587G+0.114B 以及U、V信号与Q、I信号的关系，可以得到： Q = 0.211R0.523G + 0.312BI = 0.596R0.275G0.322B,100-0-100-0彩条信号 形成的Q、I 信号波形,Q,I,Q、I信号带宽,根据人眼的视觉特性，Q、I信号的理论带宽分别为： Q：0.5MHz I：+0.5，-1.5MHz,采用Q、I的色度信号： ec(t) = Q(t) sin(sct+33) + I(t)cos(sct+33) 窄带
11、双边带 宽带不对称边带色同步信号不变 eb(t) = K(t) sin(sct+180),Q分量以窄带双边带方式传送，I分量以较宽的不对称边带方式传送。,3.2.5 副载频选择,副载频选择原则 1、频谱交错原理：为使亮度和色度信号的频谱间距最大，有利于频谱交错，副载频采用半行频偏置 半行频的奇数倍。n为整数,2、为了减轻副载波对亮度的干扰，应尽量使副载频选在视频信号的高端。副载频越高，其干扰亮度的光点越细，愈不易被人眼察觉；能使色度和亮度信号的主要能量分别位于视频的高、低两端，从而减轻两者的相互干扰。,3、色度信号上边带（约0.5MHz）的边界值不能超过视频信号的带宽（4.2MHz），故副载频
12、应低于3.7MHz4、考虑到可能出现伴音载波和副载波的差拍干扰，所以还要求两者的差频也等于半行频的奇数倍；另外，副载波应和行频保持最简单的分频关系，从而有利于同步机电路的实现。,副载频的选择对于525行、60场的黑白电视M制，行频为15750Hz，半行频为7875Hz，伴音载频4.5MHz。取2n+1=455，则伴音载频（455+117）*7875=4.5045MHz，不利于4.5MHz伴音鉴相。 NTSC制行频改为15734.264Hz，此时伴音载频为4.4999995MHz，非常接近4.5MHz。场频改为,返回小结,NTSC制的主要参数 NTSC-M(美国制式),场频fV59.94 Hz(
13、60Hz) 行频fH5251/2 fV15.734kHz 扫描行数Z：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fSC3.57954506MHz,3.2.6 NTSC制编码、解码方框图,NTSC编码方框图,NTSC解码方框图,3.2.7 NTSC制的主要性能,（1）色度信号简单色度信号的组成方式最为简单，解码电路也最简单，易集成化。对电视信号进行各种处理有利。 （2）不存在行顺序效应NTSC色度信号每行都以同一方式传送，不存在对图像质量有损害的行顺序效应。行顺序效应：由于对传输的色度信号作逐行不同的处理而引起的，PAL和SECAM制都有这种情
14、况。,（3）容易实现亮、色度信号的分离亮度信号与色度信号频谱以最大间距错开，兼容性能好，亮度串色影响也较小。同时，容易实现亮度信号和色度信号的分离，为制造高质量接收机、制式转换和电视信号数字化提供便利条件。,陷波器实现亮色分离,采用梳状滤波器实现亮色分离,梳状滤波器电路构成,y(t)+ec(t),2ec(t),2y(t),yd(t)+ed(t),yd(t)=y(t) ed(t)=ec(t-TH)=-ec(t) y(t)+ec(t)+y(t)-ec(t)=2y(t) y(t)+ec(t)-y(t)-ec(t)=2ec(t),（4）色度信号的幅度失真会影响重现彩色的饱和度。当整个传输系统中存在非线
15、性特性时，系统对色度信号的增益与所叠加的亮度信号电平有关（微分增益），它对图像的影响是彩色饱和度的变化。简单的说：微分增益是亮度信号幅值的变化对彩色饱和度的影响。 不能用简单的衰减或放大来校正这种幅度失真。微分增益在15%时可察觉，容限为30%,（5）存在相位敏感性，重现彩色的色调对色度信号的相位失真敏感。微分相位： 当传输系统存在非线性时，色度信号产生的相移与所叠加的亮度电平有关(微分相位)。在NTSC系统中，色度矢量相角的变化代表了色调的变化。检波得到的Q、I信号发生串色。微分相位 为 5时可察觉，容限为12。,不对称边带的影响 传输系统特性不良，会使对称边带信号变成非对称边带信号。设 已
16、调副载波信号为 设传输后只剩下下边带分量 在单边带情况下，一个Q调制的副载波分量相当于一个正交调幅信号，形成Q对I的串色。,3.3 PAL制,3.3.1 彩色相序交变原理,NTSC制中，色度信号的相位失真会带来明显的色调失真。 NTSC-相位敏感性高PAL(Phase Alternation Line)逐行倒相正交平衡调幅制，即色度信号U、V分量中的V分量逐行倒相。 彩色相序交变原理：发端周期性改变彩色的相序收端采用平均措施，以减轻传输相位误差带来的影响，抵消相位误差,品偏红,品偏红,品偏蓝,Fn表示第n行的色度矢量，Fn+1表示n+1行的色度矢量。由于行相关，可以认为它们的颜色相同。则矢量F
17、n和Fn+1的U分量相等，V分量绝对值相等、相位相反，即以U轴对称。如果传输过程中无相位失真，解调时V回原位，可正确地恢复出色差信号。,有相位失真时，用逐行倒相的方法消除了相位失真带来的色调失真，相位失真仅引起了饱和度下降，但色调末变。,隔行扫描逐行倒相的变化规律：,3.3.2 PAL色度信号及其频谱交错,1PAL色度信号,PAL色度信号：,其中：,k(t)表示逐行取值为+1和-1的2H为周期的开关函数,接收端检波时要识别是NTSC行还是PAL行，以决定正交同步检波器的相位。,NTSC行,PAL行,PAL制色同步逐行摆动90。,2PAL色度信号的频谱交错,PAL色度信号频谱 : U分量对副载波
18、sinct平衡调幅，频谱仍以fH为间隔，对称地分布在色副载波fsc两旁。 逐行倒相的V 分量对副载波cosct平衡调幅，也可看成是V分量对逐行倒相的色副载波K(t) cosct 的平衡调幅。,基波角频率：,开关函数：,逐行倒相的色副载波的各频率分量为：,图中虚线为供U信号调制用的副载波，实线为供V信号调制用的副载波。 可以看出，调制V信号的副载波是谱线群，调制U信号的副载波是一根谱线。,U分量与V分量的主谱线刚好错开1/2行频。,NTSC制U，V信号频谱是重合的，而PAL制色度信号本身完成了频谱交错。这也是PAL制色度不容易失真的原因。,3.3.3 副载波选择及色度信号与亮度信号的频谱交错,合
19、理选择fsc，使亮度Y信号与色度信号的主谱线相互错开。 fsc要尽量的高，但其上边频不能超过规定的6MHz, 1/4行频间置：,只采用1/4行频间置，亮度信号Y的fv场频副谱线与色度信号U、V的fv场频副谱线的间距只有1/8fv ，容易造成亮色串扰。, 1/2场频偏置（25Hz偏置）：,采用1/2场频偏置（25Hz偏置）后，使亮度信号Y与色度信号U、V的副谱线间距增加3倍，为3/8fV，进一步减少亮色串扰。,2PALD解码器,梳状滤波器,梳状滤波器,PALD解码器,3.3.4 PALD解码原理,梳状滤波器的作用：,通过延迟的色度信号和不延迟的色度信号相加或相减，将色度信号中的两个色度分量U、V
20、进行分离，以克服两个色度之间的相互串扰 。为了使梳状滤波器具有上述作用，延时线的延时时间对于包络（即U、V信号）等于一个行周期TH=64s，对于副载波要求相位相反。,直通信号,延时信号,假设相邻两行色度信号相同，副载波相位相反,延迟线的频率特性： 色度信号延迟一行不变，要求其各个频率分量具有相同的一行延迟时间，即要求延迟线具有线性相位特性，群延时等于行周期TH 副载波延迟后反相，要求副载波的延迟时间是半副载波周期的奇数倍。,存在微分相位时： 相加端相减端经正交解调出只产生人眼不太敏感的饱和度变化，不影响色调。,群延时（包络延时即色度信号延时） 相延时（副载波延时）取,延迟线的相位特性：,配有换
21、能器的超声玻璃色散延迟线实现如图的相位特性,相位特性不通过原点，相延时与频率有关的色散延迟特性,梳状滤波器的频率特性,具有梳齿状的幅频特性，因而称为梳状滤波器。 延迟线频率特性： 相减端频率响应：幅频响应：相加端频率响应：幅频响应：,经梳状滤波亮色得到分离 亮度串色幅度下降3dB 彩色信噪比改善3dB 相延时误差对梳状滤波特性的影响,可以证明，经梳状滤波和同步检波后：,逐行交变的小幅度串色，色调偏差互补，通过视觉平均获得正确彩色。 当存在显像管非线性电光转换特性时，逐行交变的串色使亮度逐行强弱变化，由于隔行扫描产生向上缓慢移动的明暗相间的行结构，称为行蠕动现象或行顺序效应。,PAL制克服NTS
22、C制相位敏感性的基本原理可概括为： 采用逐行倒相正交平衡调幅的色度信号。 在解调时先经梳状滤波器分离，然后再同步检波； 利用视觉平均作用补偿小幅度串色所引起的彩色偏差。,3.3.5 PAL制的主要性能, 克服了 NTSC制相位敏感的缺点。 PAL制采用1/4行频间置再加25 Hz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。 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，使彩色信噪比提高了3dB。 由于NTSC制是1/2行频间置， PAL制为 l/4行频间置。二者相比实 现PAL信号的亮色分离要比 NTSC制困难，且分离质量也较差。由数字滤波解决
23、存在行顺序效应。,3.5 模拟彩色电视制式的缺陷,一、复合信号方式的缺陷,亮色串扰 三种模拟彩色电视制式均采用亮、色信号在时域同时（相加），在频域共用频带（窄带色度信号置于亮度信号频谱的高端）的复合信号方式，由于亮色分离的不完善（带通滤波和副载波陷波），以及可能发生的频谱混叠，会产生亮、色间的串扰。,亮度串色:表现为在亮度信号的细节部分(有高频亮度分量)产生杂乱的彩色图像。 在电视测试图上，在表示水平清晰度的条形区，在细密条(对应300、380、500线处)会出现五颜六色的花纹。,色度串亮:在彩色图像的陡削边沿和大面积饱和色区，会出现小的移动点（副载波干扰）。,色度两分量串扰 微分增益、微分相
24、位和不对称边带，会使色度两分量互串，产生彩色失真（色调或饱和度变化），或与其有关的行顺序效应。彩色水平分解力低 窄带的色度信号有利于减少亮色互串，但使彩色水平分解力降低，会造成彩色文字的竖笔画无色。彩色副载波与伴音副载波的互调 其结果会引起彩色和伴音的失真。,二、隔行扫描方式的缺陷,隔行扫描可理解为在空间垂直方向y和时间方向t的二维采样。设 行距为d，场周期为T，则 垂直采样频率fsy=1/d，时间采样频率fst=1/T 设亮度信号为b(y,t)，频谱为B(fy , ft) 奇数场二维采样信号的频谱为偶数场的二维采样相对于奇数场沿y轴平移d，延t轴平移T。偶数场二维采样信号的频谱为隔行扫描图像
25、的二维频谱为,1区A点：fy=1/d，ft=0 行结构 频谱混叠，垂直分解力下降,2区B点：fy=0，ft=1/T 高亮度、高对比度画面大面积闪烁,3区C点：fy=1/(2d)，ft=1/(2T) 行间闪烁和行蠕动,三、清晰度和临场感的缺陷 画面细节分辨率不够，清晰度不足 受扫描行数和视频信号频带宽度的限制，图像细节分辨率不够，没有充分适应人眼的视觉能力（由上图可见）。以 PAL制为例，垂直分辨率300线，水平分辨率400线，对于目前发展的大屏幕电视及近距离观看来说显然是不够的 。 电视图像的临场感不强 模拟电视(非大屏幕)的最佳观看距离约6倍于电视屏幕的垂直高度。对于4：3幅型比电视机，垂直视场和水平视场分别为10和13，只占人视觉外部视场(80和160)的 1/8和1/12，没有产生身临其境的感觉。大屏幕电视的最佳相对观看距离缩短至34，垂直视场增至16，水平视场增至22。目前大屏幕电视中多采用16：9幅型比的显示器，这也是高清晰度电视追求的目标。,
