《数字化电视原理与技术》课件第3章.ppt

1、第3章 彩色电视信号与彩色电视制式1第3章 彩色电视信号与彩色电视制式3.1彩色电视信号3.2NTSC制式及其编、解码过程3.3PAL制式及其编、解码过程3.4SECAM制式及其编、解码过程3.5彩色电视机制式现状第3章 彩色电视信号与彩色电视制式23.1彩色电视信号3.1.1彩色三要素和三基色原理1 彩色三要素其含义如下：(1)彩色物体的亮度是指人眼感觉到彩色物体的明亮程度(即指彩色光所引起人眼视觉的明亮程度)。(2)彩色物体的色调是指彩色物体的颜色(即指光的颜色)种类。(3)彩色物体的色饱和度是指颜色的浓谈程度(即彩色纯洁度)。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式32 三基色原理根据人眼的视

2、觉特性，既然圆锥细胞分别对红、绿、蓝三种色光感光，那么用红、绿、蓝三种色光来等效某一种色光对圆锥细胞的刺激作用，不就可以获得相同的色感了吗？为此，人们做了以下实验：把一束红光(R)、一束绿光(G)和一束蓝光(B)，同时投射到一块白幕(全反射面)上，并使三束光部分重叠，这时我们在白幕上看到的颜色除红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)外，还看到如图3-1所示的各色光。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式4其规律是：红(R)绿(G)黄(Y)即黄色光红(R)蓝(B)紫(P)即紫色光或称品红(紫红)色光绿(G)蓝(B)青(C)即青色光红(R)绿(G)蓝(B)白(W)即白色光第3章 彩色电视信号与彩色电视制式

3、5图3-1相加混色(三色光投射实验)第3章 彩色电视信号与彩色电视制式63.1.2混色方法 1 空间混色法前面章节我们已经论述过，人眼对黑白颜色的分辨角=1.5，而人眼对彩色的分辨角4。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式7图3-2空间混色第3章 彩色电视信号与彩色电视制式82 时间混色法在前面章节我们也已经论述过，人眼视觉残留时间约为0.1 s，人眼对黑白色的临界闪烁频率f45.8 Hz，而人眼对彩色的临界闪烁频率更低。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式93 生理混色法当人的两眼同时分别观看不同颜色的同一彩色景物时，也会产生相加混色效果，这种混色效果是由于人眼生理活动因素产生的。在分色式立体电

4、视系统中得到应用。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式103.1.3兼容的必备条件 彩色电视是在黑白电视的基础上，利用三基色原理和人眼的视觉特性发展起来的，彩色电视出现以前黑白电视已经相当普及，而彩色电视机的结构比黑白电视机更复杂、成本更高。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式113.1.4亮度信号与色差信号 描述日常生活中的一幅图像，可由两个物理参数来描述：(1)一是代表图像的轮廓，细节及其明暗变化的物理参数。(2)二是代表图像色彩及其鲜明度变化的物理参数。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式12亮度信号：(3-1)色差信号：(3-2)BGRY11.059.03.0BGRBGRGYGBGRBGRB

5、YBBGRBGRRYR11.041.03.0)11.059.03.0(89.059.03.0)11.059.03.0(11.059.07.0)11.059.03.0(第3章 彩色电视信号与彩色电视制式13(1)从式(3-2)色差信号表达式中可见，在Y信号中G信号所占比例较R信号和B信号在Y信号中所占的比例都大，从而使GY信号较RY、BY信号小得多，因此GY最弱，其抗干扰性能较差，若选择GY对改善信噪比不利。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式14(2)当传送RY和BY两个色差信号时，在接收端很容易恢复GY信号，由 Y=0.3R+0.59G+0.11B (3-3)Y=0.3Y+0.59Y+0.11

6、Y (3-4)两式相减，得 0.3(RY)+0.59(GY)+0.11(BY)=0第3章 彩色电视信号与彩色电视制式15整理得 (3-5)(19.0)(51.0 )(59.011.0)(59.03.0YBYRYBYRYG第3章 彩色电视信号与彩色电视制式16彩色电视中用色差信号来传送色度信号，除了有利于兼容性外，还具有以下优点：(1)传送黑白图像时色差信号不干扰亮度信号。这是因为在传送黑白图像时，因色度信号为零，R、G、B应相等，色差信号为零，无色差信号干扰亮度信号。设RGBEx，当Ex=1时，传送的亮度信号为白光；当Ex0时，传送的亮度信号为黑色；当0Ex1时，传送的亮度信号为灰色光，则利用

7、亮度方程可求得Y=0.3Ex+0.59Ex+0.11Ex=ExRY=ExEx=0BY=ExEx=0第3章 彩色电视信号与彩色电视制式17(2)有利于节省色度信号的发射能量。在整幅彩色景物中，一般情况下，大部分面积上的像素接近于白色或灰色，即大部分像素的色差信号为0；而只有小部分面积上的彩色像素的色差信号不为0，因此色度信号采用色差信号传送，比直接用R、G、B传送需要的发射能量小得多。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式18(3)在接收机中利用解码矩阵电路很容易将色差信号还原成三个基色信号。因为在接收端，显像管最终需要三基色信号，把色差信号和亮度信号同时加到解码基色矩阵电路，则得到GYYGBYYB

8、RYYR第3章 彩色电视信号与彩色电视制式193.1.5色度信号频带压缩与频谱交错原理1 大面积着色原理(恒定亮度原理)2 色、亮信号混合(高频)原理3 频谱交错原理第3章 彩色电视信号与彩色电视制式20图3-3亮度与色度信号的频谱交错第3章 彩色电视信号与彩色电视制式213.2NTSC制式及其编、解码过程3.2.1平衡调幅例如，用色差信号uRY=(RY)cost对载波uSC=Uscm cosSCt进行调幅，则调幅后的信号的数学表达式为(3-6)式中，ma=(RY)/Uscm。ttmUuSCascmAMcos)cos1(tmtmtUSCaSCaSCscm)(cos2)(cos2cos第3章 彩

9、色电视信号与彩色电视制式223.2.2色度信号的调制(正交调幅)在彩色电视信号的发送端是将两个色差信号调制在一个4.43 MHz或3.58 MHz的副载波上所形成的已调波信号称色度信号。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式23图3-4正交平衡调幅电路方框图第3章 彩色电视信号与彩色电视制式243.2.3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。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RY和BY的关系是 U=0.493(BY)(3-8)V=0.877(RY)(3-9)第3章 彩色电视信号与彩色电视制式25

10、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=U sinSCt (3-10)FV=V cosSCt (3-11)第3章 彩色电视信号与彩色电视制式26这两个平衡调幅信号频率相等，相位相差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 (3-12)式中，。)(sin cossinFtFtVtUscmscsc22第3章 彩色电视信号与彩色电视制式27图3-5正交平衡调幅波的矢量图第3章 彩色电视信号与彩色电视制式283.2.4标准彩条亮度与色差信号的波形与特点 标准彩条信

11、号是由彩条信号发生器产生的一种测试信号。它是用电的方法产生的模拟彩色摄像机拍摄的光电转换信号，常用以对彩色电视系统的传输特性进行测试和调整，它表现在彩色电视接收机中是8条等宽的彩色竖条。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式29图3-6标准彩条信号波形(a)彩条图像；(b)三基色电压；(c)亮度信号；(d)色度信号第3章 彩色电视信号与彩色电视制式303.2.5I、Q色差信号我们设想假如作一个色度信号轴通过1230303线，称之为I轴；与I轴正交的色度信号轴，沿着330213线，称之为Q轴，如图3-7所示。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式31图3-7NTSC制色度信号的坐标变换第3章 彩色电视信

12、号与彩色电视制式32定量地说，Q、I正交轴与U、V正交轴有33夹角的关系，在图3-7中任何色度，既可由U、V表示，同样也可由I、Q表示。通过几何关系不难推得它们之间有如下关系：(3-13)000033cos)33sin(33sin33cosVUIVUQ第3章 彩色电视信号与彩色电视制式33利用亮度方程及式(3-13)关系可求出Y、Q、I与三基色R、G、B的关系，即采用Y、Q、I作为传输信号时的编码方程为 (3-14)BGRIBGRQBGRY32.028.060.031.052.021.011.059.030.0第3章 彩色电视信号与彩色电视制式34图3-8Y/I/Q方式视频频谱图第3章 彩色电

13、视信号与彩色电视制式353.2.6色同步信号如前所述，采用正交平衡调幅传输方式后，在接收端若要分离出色差信号，必须采用同步检波，为此，应给同步检波器输入一个与发射端同频同相的副载波作为基准副载波。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式36图3-9色同步信号波形图第3章 彩色电视信号与彩色电视制式373.2.7NTSC制副载波的选择彩色电视中副载波频率的确定是很严格的，这里副载波频率fSC数值的确定应考虑以下几点：(1)fSC应安插在视频频带的高频端，这是因为亮度信号频谱主要分布在视频低端，它的高频端空隙多，能量分布较少，这样就避免了色度信号与亮度信号之间的相互干扰。另外，fSC越高，则干扰在屏幕上

14、呈现的条纹越细，使人眼不易察觉，但是fSC也不能太高，应允许Q信号的上边带通过。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式38(2)如前所述，I信号带宽是1.5 MHz，Q信号带宽是0.5 MHz，这两个信号对副载波调制后所形成的频带，也分别以1.5 MHz和0.5 MHz的宽度并以行频为间隔聚集在副载波两边。如果把这两个色差信号都以双边带传送，就必须要求副载波频率由亮度信号的上限频率开始向低频端移动1.5 MHz(I信号的上边带)，这样色度信号与亮度信号之间的干扰就比较严重，通常是对Q信号取双边带，而I信号则采用残留边带传送。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式39(3)副载波频率应选在亮度信号频谱的

15、半行频处。为了降低光点的可见度，同时考虑到可能出现伴音载频与副载波的差拍干扰，所以应选择副载波必须是半行频的奇数倍，此称为半行频间置，即(3-15)211)(2第3章 彩色电视信号与彩色电视制式40对于625行，50 Hz场频的NTSC制，n=284，fH=15 625 Hz，则副载频选为对于525行，60 Hz场频的NTSC制，n=228，fH=15 734.264 Hz，则副载频选为MHz4.43MHz5 687 4.4292567211)(2HHSCffnfMHz3.58MHz06 545 3.5792455211)(2HHSCffnf第3章 彩色电视信号与彩色电视制式413.2.8NT

16、SC制编码与解码1.编码 将三基色信号通过线性和非线性变换，组合成一个彩色全电视视频信号的过程称为编码，完成编码任务的设备称为编码器，按上述原理组成的NTSC制编码器的方框图如图3-10所示。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式42图3-10NTSC制编码方框图第3章 彩色电视信号与彩色电视制式432.解码解码是编码的逆过程，它的任务是从彩色全电视信号中解调出三基色信号，又称之为色度信号处理电路。NTSC解码器方框图如图3-11所示。它由亮度通道、色度通道、辅助通道和矩阵电路等部分组成。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式44图3-11NTSC制解码器方框图第3章 彩色电视信号与彩色电视制式453

17、.2.9NTSC制的主要参数及性能1 主要参数对于NTSC-M(美国制式)，场频fV59.94 Hz；行频fH525fV2=15.734 kHz；每帧525行；图像信号标称带宽为4.2 MHz；伴音与图像载频之差为4.5 MMz；彩色副载波频率fSC3.579 545 06 MHz。NTSC制彩色全电视信号频谱如图3-8所示。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式462 主要性能(1)现有的三种兼容制彩色电视制式中，NTSC制色度信号的形成和分离都比较简单，因而编、解码电路也最为简单，易于集成化。(2)NTSC制中的彩色副载波是采用半行频间置，使亮度信号与色度信号频谱以最大间距错开，亮度窜色影响因

18、之减小，故兼容性好。(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“爬行”和亮度闪烁现象。(4)采用NTSC制一个最严重的问题，就是对相位失真比较敏感，容易产生色调畸变，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。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式473.3PAL制式及其编、解码过程3.3.1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。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式483.3.2PAL制色度信号1.逐行倒相在传送色度信号时，发端将F

19、V分量逐行倒相，而FU分量仍然和NTSC制彩色电视中的FU分量一样处理。FV分量经逐行倒相成FV和FV，而FV分量和FU分量在相位上有90的相位差，即保留两者正交的特点，如图3-12所示。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式49图3-12PAL制色度信号矢量图第3章 彩色电视信号与彩色电视制式50因此，PAL制色度信号的数学表达式为(3-16)式中，。22第3章 彩色电视信号与彩色电视制式512.镜像复原 在接收彩色信号时，接收机在进行同步解调之前，必须把已倒相的FV分量再倒相复原成FV分量，即将Fn+1矢量对FU轴镜像复原为Fn矢量。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式523.逐行倒相的实现方法

20、在将色度进行调制的过程中，我们用一个频率为行频一半的方波来控制一个倒相开关对色度信号中的RY分量(色差信号V)的载波的相位进行逐行倒相处理，它与正交平衡调幅的区别在于增加了一个PAL开关、一个90移相器和一个倒相器。PAL开关是一个由半行频对称方波控制的电子开关电路，它能逐行改变开关的接通点，其原理如图3-13所示。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式53图3-13逐行倒相实现框图第3章 彩色电视信号与彩色电视制式544.PAL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。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式55图3-1

21、4PAL制色同步信号第3章 彩色电视信号与彩色电视制式56图3-15PAL制色同步信号产生框图及矢量图(a)色度信号和色同步信号产生方框图；(b)色同步信号矢量图第3章 彩色电视信号与彩色电视制式573.3.3PAL制编码器所谓编码，就是把三基色信号R、G、B编制成彩色全电视信号FBAS的过程，编码器就是用来实现编码的电路。PAL制彩色全电视信号编码器方框图如图3-16所示。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式58图3-16PAL制编码器原理方框图第3章 彩色电视信号与彩色电视制式593.3.4PAL制解码器解码是编码的逆过程，完成解码的电路称解码器。在彩色电视机中的解码器是把彩色全电视信号(F

22、BAs)还原成三基色电信号的处理电路。而PAL制解码器有许多类型，如PALS(简单解码)、PALN(锁相解码)、PALD(延迟解码)等。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式60图3-17PAL制解码器方框图第3章 彩色电视信号与彩色电视制式611.亮度信号和色度信号的分离 从预视放输出的彩色全电视信号FBAS，经4.43 MHz陷波器和色度带通滤波器进行频率分离，将FBAS分离成亮度信号和色度信号两部分。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式622.色同步信号和色度信号分离 频率相同但时域错开的色同步与色度信号，经色同步选通电路，将色同步信号与色度信号分开。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式63图3

23、-18色同步信号与色度信号的分离原理及波形第3章 彩色电视信号与彩色电视制式643.两个色度分量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，因此采用梳状滤波器进行频率分离。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式65图3-19PAL制色度信号分离方框图第3章 彩色电视信号与彩色电视制式66 1)梳状滤波器分离色度信号的原理由PAL制编码方式可知，PAL制是对已调V信号采用逐行倒相的方法传送色度信号的。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式672)超声延时线(DL)简介超声延时线是梳状滤波器的核心。第3章 彩色电视信号与彩色电

24、视制式68图3-20超声延时线结构示意图第3章 彩色电视信号与彩色电视制式693)梳状滤波器的频率特性 梳状滤波器能有效地分离两个色度信号FU和FV，可以从如图3-21所示频率特性进一步说明。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式70图3-21梳状滤波器的频率特性第3章 彩色电视信号与彩色电视制式714.同步检波将FU、FV的分量解调为U、V信号FU、FV分量是抑制了副载波的平衡调幅波，不能用峰值检波器解调，必须采用同步检波(PAL制同步检波器工作原理与NTSC制同步检波器相似)。由于发送端已将副载波抑制，则在接收机中要利用色同步信号恢复副载波，当恢复的副载波与发送端副载波同频同相时，检波输出最大

25、并解调出色差信号U、V。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式725.解码矩阵电路将Y、U、V还原为三基色信号在解码矩阵电路中，首先将同步解调出的色差信号U、V“去压缩”，恢复为原色差信号RY和BY，由式(3-8)和式(3-9)知：10.493()()2.0310.877()()1.14UBYBYVRYRY第3章 彩色电视信号与彩色电视制式73矩阵电路作如下运算：RYY=R BYY=B 0.51(RY)0.19(BY)Y=G第3章 彩色电视信号与彩色电视制式743.3.5PAL制的主要技术性能 1 PAL制的主要优点(1)克服了NYSC制相位敏感的缺点。(2)PAL制采用14行间置再加25 Hz确

26、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，使亮度窜色的幅度下降了3 dB，从而使彩色信杂比提高了3 dB。(4)由于NTSC制是12行间置，PAL制为14行间置。(5)多径接收对PAL制影响较小。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式752PAL制的主要缺点(1)PAL制存在行顺序效应，即“百叶窗”效应。(2)PAL制设备比NTSC制复杂、成本高。主要原因是处理PAL制信号比NTSC复杂，对同步精度要求高。(3)PAL制彩色清晰度比NTSC制低。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式76 3.4SECAM制式及其编、解码过程3.4.1

27、SECAM制的主要特点 (1)在NTSC和PAL制中，两个色差信号是同时传送的。(2)SECAM制中，发送端对RY和BY两个色差信号采用了行轮换调频的方式。(3)为了传送两个色差分量，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。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式773.4.2SECAM制编、解码器的工作原理SECAM制编码器如图3-22所示。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式78图3-22SECAM制编码器组成框图第3章 彩色电视信号与彩色电视制式79SECAM制解码器方框图如图3-23所示。彩色全电视信号FBAS加入亮度与色度通道的输入端，亮度通道经延迟及副载波陷波电路，去除色度信号后所得Y信号加于矩阵电路。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式80图3-23SECAM制解码器组成框图第3章 彩色电视信号与彩色电视制式813.5彩色电视机制式现状表3-1是世界各国模拟电视制式特性表。表3-2是三种彩色电视制式标准表。第3章 彩色电视信号与彩色电视制式82第3章 彩色电视信号与彩色电视制式83