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兼容制彩色电视机的兼容原理
兼容制彩色电视机的兼容原理
摘要：
要实现黑白彩色电视兼容做到亮度信号和色度信号兼容，彩色电视应选用和黑白电视相同的图像载频和伴音载频，相同的频带宽度和频道划分，相同的扫描制式。
关键字：
亮度色度编码频带频谱电视制式
0引言（黑白、彩色电视兼容的可能性）
所谓兼容是指黑白与彩色电视机可以互相收看对方电视台的电视节目。
黑白电视机接受彩色电视信号，而重现正常的黑白电视图像，这叫做正兼容性。
彩色电视机除能接受彩色电视信号重现彩色图像外，也能接受黑白电视信号而现实正常黑白电视图像，叫做逆兼容。
当然，这两种情况小、收看到的节目都是黑白的。
兼容只是广播电视所要求的，对于其他电视，如工业电视，医疗点事等都无此要求。
要实现黑白彩色电视兼容，彩色电视信号必须是由亮度信号和色度信号两部分组成，其中亮度信号表示被扫描像素亮度的变化，能使黑白电视机呈现黑白图像；而色度信号表示扫描像素的色度变化，它在彩色电视机中辅助亮度信号呈现彩色图像。
彩色电视机接收机点记录应将视频通道分为亮度和色度通道两部分。
当接受彩色电视节目时，两个通道都工作，呈现彩色图像，当接受黑白电视节目时，色度通道自动关闭，亮度通道工作。
另外，为了做到兼容，彩色电视应选用和黑白电视相同的图像载频和伴音载频，相同的频带宽度和频道划分，相同的扫描制式。
下面叙述如何解决这些兼容的难题而实现黑白，彩色电视兼容。
1亮度与三基色信号的关系
由前面的讨论可知，亮度信号
可以采用单个摄像管对景物的亮度摄取，如黑白电视摄像机一样。
但目前彩色摄像机通常由三只摄像管组成，对彩色景物摄取并分别得到三基色电信号
，它们反映了景物各像素的亮度色调及饱和度的变化信息。
如果将三基色信号分别控制显像管的三个电子束流，那么，将在彩色显像管相应位置上，重现该景物的亮度色调及饱和度。
其重现的亮度是符合亮度方程的。
换句话说，三基色信号以不同比例代数相加，便可以合成亮度信号，此亮度信号正事黑白电视系统中所需要的图像信号，它代表景物的亮度变化信息。
即：
（1）式中三个系数之和等于1，如果
都相等且为1V，则
如果
相等但相对值小于1而大于0，则
是灰色；当
均为0，则
。
所以，不论明亮程度如何，对于黑白图像，三基色信号值相等且亮度信号相同。
如果三基色分量不相等，三基色信号的比例反映色调，它们按式规定比例相加，和值代表此时彩色景物相应点呈现的亮度。
例如
=0.2V,此色彩的亮度信号为
该彩色的色调为橙色，因为等量的三基色光各取0.2V相混将得到低亮度白光，剩下0.5V红基色与0.4V绿基色，因其红比例大于绿而呈现橙色，显然该彩色饱和度低于100%。
由上可知，
四种信号只有三种是独立的，已知任意三种，就可以通过加减矩阵电路来合成第四种。
由于各项系数小于1，所以，可以由一些简单的电阻分压电路构成的电阻矩阵电路产生。
显然，这给兼容电视提供了方便与可能，为了书写方便把以上四种信号
用Y、R、G、B来表示。
2色度信号的编码传输
要实现彩色与黑白电视兼容，彩色电视信号中应当含有仅代表亮度信息而不含有色度信息的亮度信号，然后再选择两种基色信号。
这样，黑白电视机可以直接收看彩色电视信号；对于彩色电视机而言，可将亮度信号与被选的两种基色信号组合获得三基色信号送至彩色显像管。
例如二基色信号可选用RB，或RG或GB，第三个基色的大小可由亮度方程和已知二基色的值解得，但这样选择的色度信号有个很大的缺点，即亮度信号Y已经代表了被传送彩色光的全部亮度，而RB或其它两个基色本身也包含有亮度，显然是多余的，且在传输过程中易干扰Y信号。
为了克服这一缺点，一般不选基色本身作为色度信号。
而是对基色信号进行编码，即从基色信号中减去亮度信号，编码后的信号称为色差信号。
例如，R-Y,B-Y,G-Y，这三种色差信号同样可以用三基色信号按照一定比例合成。
只要将
（1）式从各信号中减去，便有色差信号与三基色信号之间的关系如下：
R-Y=0.7R-0.59G-0.11B
（2）
B-Y=-0.3R-0.59G-0.89B（3）
G-Y=-0.3R+0.41G-0.11B（4）
由于G-Y信号数值较小，对于改善信杂比不利，同时可由简单的电阻矩阵实现R-Y,B-Y和G-Y的变换，所以，通常传送Y，R-Y和B-Y，其中Y代表亮度信息，R-Y,B-Y代表色度信息。
3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仅表示被传送景物的亮度，而不包含色度，例如传送一灰色时，其三基色信号为R=G=B=0.5V，它们合成的亮度信号Y=0.5V。
色差信号必然为0，而色差信号只表示色度不表示亮度，只要将
（1）式的左边移到右边加以整理便可得
0=0.3（R-Y）+0.59（G-Y）+0.11（B-Y）（5）
这就是说，在（5）式中，三色差信号对亮度的贡献为零，所以色差信号的失真不会影响亮度。
因此，黑白电视机只接受彩色电视台中的Y信号，其效果与收看黑白电视台一样，不受色差信号的干扰，能正常重现原图像的亮度，所以，其兼容效果好。
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条件下均保持恒定，与色差信号失真与否无关，只与亮度信号本身的大小有关。
下面举一例来说明：
假设某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
（1）式可知，合成的Y=0.5V，根据色差信号的定义，我们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=0.2V
B-Y=0.5-0.5=0V
如果我们选用Y﹑R-Y﹑B-Y三种独立信号代表彩色信息，并将它们传送至接收端，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，也可按下式合成绿色差信号：
G-Y=-0.51（R-Y）-0.19（B-Y）（6）
然后再与亮度信号Y相加获得绿基色信号G为0.4V，所恢复的三基色信号重现的亮度与Y=0.5V相同。
在传输过程中，假若Y信号无失真仍为0.5V，而红色差信号受干扰变为0.3V，蓝色差信号受干扰变为0.2V，则它们合成的绿色差信号将变为-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形成的三基色信号为
=0.3+0.5=0.8V
=-0.191+0.5=0.309V
=0.2+0.5=0.7V
显然，色调有失真，红色更加偏紫了，但它们按
（1）式合成的亮度信号
仍然为0.5V，即此时所显示的亮度仍然与失真的相同。
这个道理很容易由（5）式得到证明，即色差信号的失真不会影响亮度，正是由于此，使得兼容性得到改善。
应当指出，电视传输系统并不是线性的，因显像管存在失真，在发送端必须进行Y校正，这会给恒定亮度原理带来一定的影响。
我们知道，被摄彩色景物的亮度信号Y与三基色信号间的关系是
Y=0.3R+O.59G+0.11B
经正确的Y校正后形成的正确的亮度信号应该是
=
但在实际的彩色电视中，亮度信号是从经过Y校正后的三基色信号而得到的，因此，实际的亮度信号可表示为
=0.3
+0.59
+0.11
（7）
=0.3
+0.59
+0.11
（8）
在传送黑白图像时，R=G=B,由（7）式和（8）式计算的结果相等，即
=
，说明
具有正确的幅度，在黑白和彩色电视机中都能显示出正确的亮度。
在传送彩色图像时，R﹑B﹑G不相等，则按（8）式所确定的实际亮度信号
幅度总是小于按（7）式所确定的正确亮度信号
的应有值。
经理论计算表明：
就各种高饱和度的彩色而言，重现亮度都比原来的真正亮度要低，其中，尤以蓝色和红色的误差最大。
用黑白电视机接受彩色信号时，彩色图像的亮度低于应有亮度，说明了“恒定亮度定理”失效，不过，在实际图像中，高饱和度彩色是不多见的，大量的是低饱和度彩色和中性色（白﹑灰﹑黑），因而其亮度误差一般是不大的，还不至于明显地降低图像的质量，通常不考虑这种失真。
3有利于高频混合
高频混合原理又叫做大面积着色原理，是根据人眼分辨彩色差别的能力要比分辨亮度差别的能力低得多的这一特点，传送亮度信号时占有全部视频宽带6MHz，而传送色度信号则利用较窄的频带1.3MHz，这样，接收机所恢复的三个基色信号只包含较低的频率成分，反映在画面上，是表示大面积的色调，而图像的细节，即高频成分，则由亮度信号来补充。
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宽带6MHz的三个基色信号，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，用公式表示如下：
（9）
（10）
（11）
可见，在进行高频混合时，；亮度信号中1.3MHz以下的低频成分不再重复出现，以免造成色度失真，如果直接用R﹑B等基色信号传送，则在高频混合时，低频分量的亮度会重复出现而造成彩色失真。
4频带压缩
如何使亮度.色度公用6MHz带宽而不相互干扰？
为解决这一问题，我们先介绍一下有关频谱分析的概念。
频谱就是电信号的能量按频率的分布，也就是信号的频域表示法。
对于给定的信号波形（时域表示）求出其频谱（频域表示）叫做频谱分析。
基本的方法是付氏级数展开法。
实际上，所有周期信号的频谱都是离散谱，而所有非周期信号的频谱都是连续谱。
必须指出，信号的频谱和通道的幅频特性是两个不同的概念，前者是信号本身的属性，后者则是电路（放大器.滤波器等）的特性。
由于采用了周期性扫描，所以黑白电视图像信号可以看成是周期性的。
因而，它们的频谱集中在行频各次谐波附近，且是一簇一簇的离散谱，信号中的谐波频率越高，其幅频衰减越大，虽然它们占据0~6MHz的带宽，但在各谱线之间的一段间隔内并无谱线；同亮度信号一样，色度信号也具有同样的周期性，因为它也是按统一帧频和行频扫描出来的，所以色度信号的谱线也是一群一群的离散谱，群与群之间的间距也是行帧。
因此，可以在亮度信号的频谱间隙里穿插色度信号的频谱。
或者说，色度信号的频谱，正如农作物的间种法一样，可以使它们相互错开。
实现频谱间置最简单的方法是将色差信号进行一次调制，只要适当选择其调制载频便可以使已调色差信号的频谱与亮度洗好频谱交错，如图1所示。
其中，色差信号调制所用载波信号成为副载波，我国彩色电视所选择的副载波频率为fsc=4.43361875MHz，图1示出的副载波频率fsc正好是行频fH的283.5倍，因此，可将色差信号频谱搬到亮度频谱建个的中央，接收机能够根据它们频率分量不同，而将它们分离，合理使用了6MHz的频带，有利于兼容。
图1频谱交换
5彩色电视全射频电视信号频域图
彩色电视信号（FBAS）是由黑白电视信号与色的信号叠加而成的，仍采用残留边带发送，它与高频伴音信号合在一起成为彩色电视全射频电视信号，其频谱示意图如图2所示，由图可见，其频带宽度和频道划分与黑白电视机完全一样，仅在高频端色差信号对副载波是双边带调幅，由上可知，色度与亮度频谱不交错，互不干扰，所以，黑白.彩色电视机完全可以兼容。
图中，fs仍表示FM制伴音信号频载，它比图像载频fp仍高6.5MHz。
图2彩色电视全射频电视信号频域图
6正交调制解调基本原理
前面我们已经介绍过的频谱间置概念，仅是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？
又如何将这两个色差信号的频谱干扰相互错开呢？
正交调制是一种渐变且行之有效的方法，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度的两个色副载波上，再将两个输出加在一起。
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。
为了减小副载波对图像的光点干扰，这里采用平衡调幅制，即用一直副载波的条幅式。
色差信号的正交平衡调制的方框图如图3所示，它由两个平衡调幅器，副载波90度移相器和线性想家器等部分组成。
实际上，平衡调幅器是一个乘法器，它的输出时两个输入信号的乘积。
设基准副载波的幅值为1，色差信号（B-Y）与基准副载波sinwsct在（B-Y）平衡调幅器中相乘后，输出蓝色度分量（B-Y）sinwsct，基准副载波sinwsct经90度移相后，变成coswsct，它与色差信号（R-Y）在（R-Y）平衡调幅器中相乘后，输出红色度分量（R-Y）coswsct，它们相互正交，在线性相加器中相加，就得到色度信号为
F=（B-Y）sinwsct+（R-Y）coswsct（12）
显然，色度信号时两个已调色差信号即两个色度分量的矢量和。
图3（b）
a图3正交平衡调制原理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Ф是F的相角，其矢量式为
F=（B-Y）+（R-Y）（13）
=|F|∠Ф
由此可见，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，它决定了所传送色彩的饱和度，而相角Ф取决于色差信号的相对比值,因而它决定了色彩的色调，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，而色调是利用已调副载波的相位来传送的。
由于平衡调幅波的包络不再是原来调制信号的波形，因此，不能用包络检波的方法检出调制信号。
所以，要将色度信号F还原为（B-Y）和（R-Y）两个色差信号，则必须用正交解调器，它实际上也是一种乘法器，因此，正交解调器也成为乘法检波器。
在接收机中，要实现乘法检波，必须产生彩色副载波，它的频率和相位要严格的和正交平衡调制器中的彩色副载波一致。
并同样的分成两个互相垂直的分量，然后将副载波的这两个分量分别和已调色度信号相乘，再经低通滤波器取出色差信号。
乘积式同步解调器（正交解调）原理框图如图4所示。
图4正交解调原理方框图
7PAL制、NTSC制、SECAM制的共性与不同特点
1.NTSC制的特点
NTSC制于1953年在美国开始广播，是较早应用于彩色、黑白兼容的彩色电视制式。
为了压缩频带，又能获得良好的图像质量，NTSC制有如下的特点：
（1）NTSC制采用的频带宽度为4MHZ，扫描行数为525行，扫描场数为69场，可以与原黑白电视相兼容。
（2）根据人眼的视觉对亮度细节较敏感，对彩色细节不敏感的特性，将亮度信号以宽频带传送（0~4MHZ），以窄带传送（0~1.5MHZ）色度信号。
（3）采用频谱间置技术，副载频选为f=3.579545MHZ。
（4）选用Y、I、Q作为传输信号，其中Y仍未亮度幸好，I、Q为色差信号，它是色差信号（R-Y）和（B-Y）的一种线性组合。
他们之间的关系由下式确定：
I=0.877（R—Y）cos33-0.493（B—Y）sin33（14）
Q=0.877（R—Y）sin33+0.493（B—Y）cos33（15）
上式表明：
I色差幸好的矢量超前（R—Y）矢量33，并处在红黄色区域，Q色差信号的矢量超前（B—Y）矢量33，并处在蓝紫色区域。
这里之所以不用蓝色差与红色差信号，而用I、Q色差信号，是因为人眼分辨鸿、黄志坚颜色变化的能力最强，而分辨蓝与紫色志坚颜色变化的能力最弱，这样，子啊传输分辨力弱的Q信号时，可用较窄的频带（0~0.5MHZ），而传送分辨力强的I信号时，可用较窄的频带（0~1.5MHZ）。
用亮度方程式，带到Y、I、Q与三基色的关心是：
I=0.6R-0.28G0.32B（16）
Q=0.21R-0.52G+0.31B（17）
显然，在传送黑白信号时，由于R=G=B，所以色差信号I、Q均为0，减少了色度信号与亮度信号之间的干扰。
（5）采用正交平衡调幅，把两个色差信号调制在副载波上，色差信号Q分量用双边带方式传送，同时，色度与亮度信号之间干扰较小。
（6）在三大兼容制中，NTSC制色度信号的处理过程最为简单，因而相应的解码电路也简单，这个接收机生产带来方便，有利于降低成本。
（7）NTSC制的主要缺点是对相位敏感，容易出现彩色变色。
换句话说，传输过程中所产生的相位失真将导致色调变化。
2、SECAM制特点
SECAM制是为了克服NTSC制相位失真的缺点而由法国人研制出来的。
主要特点如下：
（1）在SECAM制中，传输信号仍采用亮度信号Y，色差信号（R—Y）和（B—Y），但两色差信号不是和亮度信号同时传送的，而是将两个色差信号（R—Y）和（B—Y）逐行轮换都与挎包方法负载波（f1=4.025MHZ，f2=4.40625MHZ）进行调频后，并叠加在逐行传送的亮度辛亥上一起传送的。
（2）在SECAM制中，由于色差信号的彩色副载波采用了调频方式，并且调频信号在进行频率检波之前，可以进行限幅，所以，色度信号对相位失真不敏感。
（3）在SECAM制中，色度信号采用了调频制，由于调频为连续频谱，故不能采用负载频偏置以实现色度信号和亮度信号的频谱交错，因为其兼容性比NTSC制和PAL制稍差一些。
（4）SECAM制的解码盒和其它制式的解码器一样，亮度信号Y和两个色差信号（R—Y）、（B—Y）在一行时间内必须同时存在，以恢复和重现彩色图像所必须得R、G、B三基色信号。
由于SECAM制在一行时间内只有一个色差信号被传送这一特点，所以，在解码器中，根据图像信号行间的相关性，采用64us延时线，将收到的信号存储一行时间，以使每一行所传送的色差信号可以使用两次，在被传送行使用一次，在未被传送行用延时线的存储特性再使用一次，这正好取得在一行时间内所缺少的那一个色差信号，从而实现了在一行时间内Y、（R—Y）、（B—Y）的同时存在。
由于每传送一行色差信号要利用两次，所以这种制式的彩色垂直清晰度降低一半。
3.PAL制及其特点
PAL制也是为了克服NTSC制相位敏感性于1962年在原西德研制出来的一种兼容彩色电视制式，实际上它是NTSC制的一种改进。
其特点如下：
（1）采用色差信号（R—Y）和（B—Y）作为色度信号的两个分量，都用0~1.5MHZ的带宽，双边带方式传送。
（2）传送时，将两个色差信号之一的（R—Y）信号逐行到倒相180度，接收后在将（R—Y）信号相位复原。
由于将（R—Y）信号逐行倒相180度进行传送，则在相邻行上的相位误差可以相互补偿，当出现微分相位失真时，可以保持色调不变。
（3）亮度信号与色度信号频谱交错，相互干扰小，可以实现分离。
（4）存在“百叶窗”效应，当梳妆滤波器的直通信号与延时输入信号间存在幅度误差，或延时t存在误差，或传输通道有相位误差，或存在通道频率失真，都会引起两色差信号间互相串扰，也可以说，将导致两分量分离不彻底。
又因串扰也是逐行倒相的，造成相邻两行间色度信号的亮度差异较大，人眼对亮度差异较敏感而产生对图像有明暗相间的水平条纹，这种明暗相间的水平线条因隔行扫描而向上蠕动，故称“爬行”，该水平条纹类似于百叶窗，故又称作“百叶窗”效应。
也可以说PAL制电视将NTSC制存在的色调失真转换成“爬行”现象，当然在实际中可以利用调整来使此现象消失或减至不明显。
8结语
结合书本中所学的知识和小组成员共同的努力完成本次论文。
通过本次课程设计使我对兼容制彩色电视机的兼容原理又有了进一步的了解，增加了对所学知识的应用。
参考文献
[1]李林和.电视机原理及技术M].西安：
西安电子科技大学出版社，1994.12
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