1、中国传媒大学南广学院课 程 设 计 报 告基于 MATLAB/Simulink 彩色全电视信号仿真学 院 传媒技术学院 专 业 通信工程 姓 名 王晶 学 号 20120803103 指导教师 华鸣 指导日期 中国传媒大学南广学院2015 年 10 月 30 日摘要 3一、基于 MATLAB 的彩色电视信号的构成 .31.1 电视基本组成原理41.2 彩色图像的摄取与重现5二、简化的彩色电视接收机仿真 62.1 彩色图像的摄取与重现.72.2 彩色电视的基本传送过程8三、发送彩条信号时的仿真电视接收机输出结果对比图 MATLAB-GUIDE 的设计 .9四、Simulink 彩色全电视信号的编
2、码 144.1 彩色全电视信号的构成 14五、课程设计小结 16六、附录 16摘要本课程设计主要是以 matlab/simulink 为基础平台，基于 matlab 的彩色电视信号的构成；简化的彩色电视接收机仿真；彩色全电视信号的编码仿真。对彩色全电视编码过程及其重要信号与其频谱分析进行了详细论述。通过标准彩条信号仿真电视系统中各主要阶段的电视波形，并对波形进行分析。主要分析和比较模型的显示波形与理论波形仿真结果表明，该模型能够正确地仿真出动态的电视信号波形。 其中包括色差信号 （R-Y,B-Y） ,亮度信号 Y,色度信号 （U,FU,V,FV,F） 以及行同步，场同步，消隐脉冲，色同步等信号
3、以及最终合成的彩色全电视信号（FBAS）的波形图。对彩色全电视解码过程及其重要信号与其频谱分析进行了详细论述。关键词： PAL；MATLAB/SIMULINK 仿真平台；电视信号波形；标准彩条信号 一、 基于 MATLAB 的彩色电视信号的构成彩色全电视信号波形如图 所示。在一个扫瞄行中，由行同步脉冲、消隐脉冲、色同步脉冲以及图像信号波形构成。行频率为 15625KHz，对应的行周期是 64 微 s。其中，消隐脉冲约占 15s，相对电平为 0.75，行同步脉冲位于消隐脉冲之中，宽度是 4:7 微 s，相对电平为 1，色同步脉冲位于行同步脉冲的后肩上，由具有一定相位的十个周期左右的副载波组成，其
4、振幅的相对电平大小约 0:12。其余约 49 微 s 时间上用于传送一行图像，即图像矩阵中的某一行。图像信号相对电平范围在 0.125 到 0.75 之间，其中，0.125 为白信号电平，0.75 为黑信号电平。图 1 彩色全电视信号波形彩色全电视信号中的图像信号由亮度信号和色差信号组成。其中，两个色差信号使用正交平衡调制后与亮度信号迭加。由于电视图像信号是以行（64 微秒）为周期的近似周期信号，在频谱上看，其信号能量集中在以行频率（fH = 15625Hz）为间隔的谱线附近。这样，如果选择正交平衡调制载波频率为 fc = (n + 0:5)fH，n 为正整数，则色差信号经过平衡调制后输出信号
5、频谱谱线刚好插入在亮度信号的频谱谱线间隙的中间，称为半行频间置，这样就能够避免相互干扰。例如，NTSC 制式中，副载波频率选为fc=283.5 fH=4:4296875MHzNTSC 制式中彩色全电视信号中图像信号 S 表示为S = Y + V cos 2fct + U sin 2fct其中，Y ，V ，U 分别为亮度信号和两个压缩色差信号。忽略场同步脉冲，试产生实例 5.13 中彩条图像的彩色全电视信号，并得出其NTSC 制式中彩色全电视信号中图像信号 S 表示为S = Y + V cos 2fct + U sin 2fct (5.47)其中，Y ，V ，U 分别为亮度信号和两个压缩色差信号
6、。建模分析和仿真参数计算：设仿真采样率为 20MHz，这样可以仿真计算的最高频率为 10MHz。一行中的图像信号传输时间为 49 微秒，故每行图像的相应采样点数为 980 点。如果使用图像矩阵中每行元素数不为 980，那么可用插值方法得出所需的采样点数。消隐脉冲时长为 15 微秒，用 300 个采样点表示，其中设第 103 到 197 点表示 4.7 微秒的行同步脉冲头，第 220 到 265 点表示色同步载波，其余表示消隐脉冲。色同步载波设为c(t) = 0.12 cos 2 fct (5.48)在仿真编程中，还需要将图像矩阵中像素取值范围（0 到 255）转换为视频信号规定的表示范围（0.
7、125 到 0.75）以及进行相应的数据类型转换。根据以上分析编写的仿真程序如下。clear all;clc;I=imread(colorbar.tif);%彩条型号figure(1);imshow(I);title(彩条信号 );I=double(I);m,n,p=size(I);I=-(0.75-0.125)./(255).*I+0.75;%换算为 0.125 到 0.75 电平R=I(:,:,1);G=I(:,:,2);B=I(:,:,3);%三基色分离R=reshape(R,1,m*n);%转换为 1 维（红）G=reshape(G,1,m*n);%转换为 1 维（绿）B=reshap
8、e(B,1,m*n);%转换为 1 维（蓝）Y=0.3*R+0.59*G+0.11*B;%亮度R_Y=R-Y;%色差 R0B_Y=B-Y;%色差 B0V=0.877*R_Y;%色差电平压缩U=0.493*B_Y;%色差电平压缩f_c=283.5*15626;%副载波频率tvY=interp1(Y,(1:n/980:m*n),nearest);%插值：行采样 980 点tvV=interp1(V,(1:n/980:m*n),nearest);%插值tvU=interp1(U,(1:n/980:m*n),nearest);%插值%全电视信号产生for h=1:(m-2)s(1280*h+(1:10
9、2)=0.75;%消隐脉冲s(1280*h+(103:197)=1;%行同步头s(1280*h+(198:300)=0.75;%消隐脉冲s(1280*h+(301:1280)=tvY(h*980+(-1:978);%图像一行像素亮度% 色差 VsV(1280*h+(1:300)=0;%消隐部分sV(1280*h+(220:265)=0.12;%色同步选通sV(1280*h+(301:1280)=tvV(h*980+(-1:978);%图像信号部分% 色差 UsU(1280*h+(1:300)=0;sU(1280*h+(301:1280)=tvU(h*980+(-1:978);endt=0:0.
10、5e-7:0.5e-7*(length(s)-1);%计算时间点序列，采样率 20MhzF_v=sV.*cos(2*pi*f_c.*t);%色差信号正交调制F_u=sU.*sin(2*pi*f_c.*t);c=F_v+F_u; % 调制输出的色差信号TVsignal=s+c; % 合成彩色电视信号figure(2); plot(t,TVsignal); xlabel(时间); title(彩色电视信号);% 彩色电视信号figure(3); plot(t,s); xlabel(时间 );title(亮度信号); % 亮度信号% 功率谱计算Pxxcc,F=psd(c,1e5,2e7);figur
11、e(4); plot(F,10*log10(Pxxcc),g);hold on;% 调制后的色差信号频谱Pxx,F=psd(s,1e5,2e7); % FFT 长度为 1e5 点，故频率分辨率 100Hzfigure(4);plot(F,10*log10(Pxx),k);%亮度信号频率xlabel(频率 Hz);ylabel(功率谱密度 dB);matlab 仿真结果如下：图一 彩条信号 图二 彩色电视信号图三 亮度信号 图四 功率谱密度二、 简化的彩色电视接收机仿真2.1 彩色图像的摄取与重现根据三基色原理，一幅彩色图像可以分解为三个基色图像，在发端将一幅欲传送的彩色图像分解为三幅基色图像信
12、号，合用一个通道传送给接收端；接收端将收到的三个基色图像信号还原成原来的彩色图像。 彩色电视的基本传送过程彩色电视接收机简称彩色电视机，是模拟电视信号接收机。MATLAB 仿真代码如下：clear all;clc;I=imread(colorbar.tif);% 读入彩条信号figure(1);imshow(I);title(彩条信号);I=double(I);m,n,p=size(I);I=-(0.75-0.125)./(255).*I+0.75; % 换算为 0.125 到 0.75 电平R=I(:,:,1);G=I(:,:,2);B=I(:,:,3);% 三基色分离R=reshape(R
13、,1,m*n); % 转换为 1 维（红）G=reshape(G,1,m*n); % 转换为 1 维（绿）B=reshape(B,1,m*n); % 转换为 1 维（蓝）Y=0.30*R+0.59*G+0.11*B;%亮度R_Y=R-Y;%色差 R0B_Y=B-Y;%色差 B0V=0.877*R_Y; % 色差电平压缩U=0.493*B_Y; % 色差电平压缩f_c=283.5*15625; % 副载波频率tvY=interp1(Y,(1:n/980:m*n),nearest);% 插值:行采样 980 点tvV=interp1(V,(1:n/980:m*n),nearest);% 插值tvU
14、=interp1(U,(1:n/980:m*n),nearest);% 插值% 全电视信号产生for h=1:(m-2)s(1280*h+(1:102)=0.75;%消隐脉冲s(1280*h+(103:197)=1;%行同步头s(1280*h+(198:300)=0.75;%消隐脉冲s(1280*h+(301:1280)=tvY(h*980+(-1:978);%图像一行像素亮度% 色差 VsV(1280*h+(1:300)=0; % 消隐部分sV(1280*h+(220:265)=0.12;% 色同步选通sV(1280*h+(301:1280)=tvV(h*980+(-1:978);% 图像信
15、号部分% 色差 UsU(1280*h+(1:300)=0;sU(1280*h+(301:1280)=tvU(h*980+(-1:978);endt=0:0.5e-7:0.5e-7*(length(s)-1);% 计算时间点序列，采样率 20MHzF_v=sV.*cos(2*pi*f_c.*t); % 色差信号正交调制F_u=sU.*sin(2*pi*f_c.*t);c=F_v+F_u; % 调制输出的色差信号TVsignal=s+c; % 合成彩色电视信号%-帶限高斯信道-TVsignal=TVsignal+0.1*randn(size(TVsignal); % 加入噪声b,a=butter(
16、2,5e6/(20e6/2); % 传输信道带宽 5MHzTVsignal=filter(b,a,TVsignal); % 通过带限信道%-接收部分-b,a=butter(2,0.5e6/(20e6/2); % 行同步滤波h_pulse=filter(b,a,TVsignal);h_pulse=h_pulse0.87; % 行同步脉冲选出。门限 0.87c_gate=zeros(1,100),h_pulse(1:length(h_pulse)-100);% 延迟 100 点，选通色同步脉冲syn=zeros(size(TVsignal);% 色差信号载波存储空间syn=c_gate.*TVsi
17、gnal; % 色同步信号选出b,a=butter(2,f_c-1000,f_c+1000/(20e6/2);syn=filter(b,a,syn); % 副载波滤波恢复sync=hilbert(syn, length(syn)/max(syn); % 正交副载波份量恢复rV=2*TVsignal.*real(sync);rU=2*TVsignal.*imag(sync);% 相干解调b,a=butter(2,1e6./(20e6/2);rV=filter(b,a,rV);rU=filter(b,a,rU); % 色差信号解调低通 1MHzrc=rV+rU;b,a=butter(3,3e6./
18、(20e6/2);rY=filter(b,a,TVsignal); % 亮度信号低通 3MHzrR=rV/0.877+rY; % 彩色解碼rB=rU/0.493+rY;rG=rY/0.59-(0.3/0.59)*rR-(0.11/0.59)*rB;for h=1:(m-2)rRimg(h*980+(0:979)=rR(1280*h+(301:1280);% 行图像信号选出rGimg(h*980+(0:979)=rG(1280*h+(301:1280);% 行图像信号选出rBimg(h*980+(0:979)=rB(1280*h+(301:1280);% 行图像信号选出endrRimg=inte
19、rp1(rRimg,0,(1:980/n:m*980);% 插值,恢复原图分辨率rGimg=interp1(rGimg,0,(1:980/n:m*980);% 插值rBimg=interp1(rBimg,0,(1:980/n:m*980);% 插值rI(:,:,1)=(reshape(rRimg,n,m); % 组合为 3 维数组并显示图像rI(:,:,2)=(reshape(rGimg,n,m);rI(:,:,3)=(reshape(rBimg,n,m);figure(2); plot(t,TVsignal); xlabel(时间); title(彩色电视信号);% 彩色电视信号figure
20、(3); plot(t,rY); xlabel(时间);title(亮度信号); % 亮度信号% 功率谱计算Pxxcc,F=psd(rc,1e5,2e7);figure(4); plot(F,10*log10(Pxxcc),g);hold on;% 调制后的色差信号频谱Pxx,F=psd(rY,1e5,2e7); % FFT 长度为 1e5 点，故频率分辨率 100Hzfigure(4);plot(F,10*log10(Pxx),k);%亮度信号频率xlabel(频率 Hz);ylabel(功率谱密度 dB);figure(5); imshow(uint8(255-(rI-0.125)./(0
21、.75-0.125)*255);axis off仿真结果如下：图一 发送彩条信号 图二 接收彩色电视信号图三 接收亮度信号 图四 接收功率谱密度图五 接收彩条信号三、 发送彩条信号时的仿真电视接收机输出结果对比图 MATLAB-GUIDE 的设计效果图如下：四、 Simulink 彩色全电视信号的编码4.1 彩色全电视信号的构成由亮度信号、色度信号、色同步信号、复合同步信号、复合消隐信号混合在一起就构成彩色全电视信号。 图一 （R G B Y）信号波形图图二 （R-Y V B-Y U ）信号波形图图三 （U Fu V Fv）波形图图四 （F，Fb，F+A ，S，FBAS）波形图五、 课程设计小
22、结本次课程设计对彩色电视机编码关键的参数有了一个直观认识，但是没有深入进去，只是对编码的一个简化，仿真中是有一定的缺陷的。之前的一个学期有在学习 matlab 的基本知识，初期也就是了解一下基本函数的编写，然后继续了解 simulink 里面的模块，加法器，乘法器，示波器等一些列模块的组合，可以做出来一些基本的模拟。在这次课中也还是有以些地方不太理解，比如消隐信号是如何加入亮度信号、UY 信号的。由于自身水平有限，消隐信号的加入是通过对加入的信号的前部分的破坏加入的。课程设计的时间有限，能多学习一点东西就多学习一点，能积累一点对以后稍微有点帮助就多积累一点，本人对这次课程设计的成果是比较满意的。六、参考文献1 张贤明. MATLAB 语言及应用案例. 南京：东南大学出版社 2010.09 .2 邵玉斌. MATLAB/Simulink 通信系统建模与仿真实例分析. 北京：清华大学出版社，2014.2.
