兼容制彩色电视制式.docx

1、兼容制彩色电视制式第三章 兼容制彩色电视制式目前世界上彩色广播电视制式最主要的有三种：(1)NTSC制，1953年由美国创立，日本、加拿大等国相继采用；(2)PAL制，1967年由西德创立，我国、英国、意大利、荷兰等西欧国家以及北欧各国采用 ；(3)SECAM制，1967年由法国创立，苏联和东欧各国也都采用它。这三种制式 相互不兼容制，其共同点都采用能与黑白电视兼容的亮度信号和两个色差信号作为传输信号；其不同点是两个色差信号对副载波采用不同的调制方式。NTSC制和PAL制都属于同时制，SECAM制属于顺序同时制。3.1彩色电视兼容条件与频谱交错原理彩色电视为了与黑白电视兼容，它必须具备下列条件

2、：（1）彩色信号中必须有亮度信号和色度信号；（2）占有与黑白电视相同的频带宽度；（3）伴音载频和图象载频分别与黑白电视相同；（4）采用相同的扫描频率和相同的复合同步信号；（5）亮度信号与色度信号之间的干扰要最小。其中，实现兼容最根本的条件是彩色电视必须以和黑白电视相同的带宽传送亮度信号和色度信号。当fv=50Hz,Z=625行时，黑白电视图像信号（即亮度信号）约占6MHz带宽。因此必须在6MHz的带宽内同时传送亮度信号和色度信号，否则就无法实现兼容。人们通过对人眼视觉特性的，充分地应用色度学原理与电子电路技术的成就，采用恒亮传输方式和彩色电视信号的频带压缩措施，解决了在6MHz带宽内同时传送亮

3、度信号和色度信号的，问题成功地实现了彩色电视与黑白电视的兼容。一、恒亮传输方式彩色电视为了与黑白电视兼容，必须传送一个亮度信号，以便黑白电视机接收。根据彩色具有亮度、色调和饱和亮度三个要素的理论，传送彩色图象必须选用三个独立的信号。除了亮度信号外，还必须选择另两个信号来代表彩色的色度信息。这两个信号与色调和饱和度之间应存在确定的相互变换关系。例如用x、y坐标值。但是，彩色电视中常用两个色差信号BY和RY来代表色度信息，它们与彩色摄象机输出的R、G、B三基色信号存在下列关系。目前的彩色电视是将两个色差信号进一步变换成色度信号，并且迭加在亮度信号上一起传送出去。黑白电视机收到这种彩色电视信号后，由

4、于色度对正常黑白图象的干扰和影响很小，故黑白电视机显象管上只产生与亮度信号成比例的正常的黑白图像。彩色电视机收到这种彩色电视信号后，先变换成上述三种信号，即Y、（BY）和（RY）；再经解码矩阵按公式还原成R、G、B三基色信号。在式中，还原出的R、G、B信号加到彩色显象管三个阴极（或者栅极）上，使荧光屏上重现出正确的彩色图像。采用亮度信号和两个色差信号作彩色电视传输信号的方式，称为恒亮传输方式。它有利于彩色电视和黑白电视的兼容，这是彩色电视研究成功的重要技术之一。二、彩色电视信号的频带压缩用亮度信号和色差信号代替三基色信号作为彩色传送信号，实现了亮度和色度的分离，有利于恒定亮度原理的实现，这对兼

5、容是有利的；但是亮度信号和两个色差信号带宽之和仍是黑白电视信号带宽的3倍。为了兼容，必须对由它们组成的彩色电视信号的频带进行压缩。利用高频混合原理与频谱交错原理，成功地将彩色电视信号的带宽压缩到与黑白电视信号的带宽相同。1.高频混合原理人们都有这样的生活经验，在黑白照片上，用笔粗略地涂上不同的颜色，就成了彩色照片。画一幅水彩画时，总是先用墨笔描绘出清晰的轮廓，然后用彩笔进行大面积涂色，整个画面就会给人们以细节清晰、彩色鲜艳、生活逼真的印象。大量的事例说明，人眼对彩色细节的分辨力远低于对黑白细节的分辨力。经测定人眼对亮度细节的分辨力极限值为11.5，对彩色细节的分辨力极限值为610。也就是说，人

6、眼较容易辨别出彩色图像细节部分的明暗程度，而不容易辨出细节的颜色差别。通过实验还发现，人眼对不同色调的细节分辨力也不同。例如，在同样亮度下，人们对绿色细节的分辨力较强，而对红、蓝色细节的分辨力较弱。如果人眼对黑白细节的分辨力定为100，则实验测得人眼对各种彩色细节的分辨能力如表所示。从表中数据可知，人眼对彩色细节的分辨力是很差的。细节色别黑 白黑 绿 黑 红 绿 红 黑 蓝 红 蓝 绿 蓝 分 辨 力100 94 90 40 26 23 19综上所述可得出一个重要结论：色度信号只需要在图象的大面积部分进行传送，在图象的细节部分只需传送亮度信号，不必传送色度信号，这就是大面积着色原理。根据这一原

7、理，可用全部视频带宽（例如06MHz），传送亮度信号Y，以保证清晰度；可用较窄的频带（例如01.3MHz）传送两个色差信号（RY），以进行大面积着色。这样在接收端所恢复的三个基色信号是：由上式可知，接收端所恢复的三基色信号只含有较低的频率分量（01.3MHz），而它们的高频部分（1.36MHz），则用同一亮度信号的高频部分来补充。这就是高频混合原理。它是1950年首先由美国A.Bedford提出的。利用这一原理，既节省了频带，又减轻了亮度信号和色度信号共用频带而产生的相互干扰。2. 频谱交错原理采用恒亮传输出方式和高频混合措施后，彩色电视信号带宽等于8.6MHzY为6MHz，（BY）和（RY）

8、各为1.3MHz，它还是大于黑白电视信号的带宽。为了兼宽，还需要进行频带压缩。根据黑白电视原理，黑白电视的亮度信号虽然占据了6MHz的带宽，但它并没有占满。其能量只集中在行频及其谐波附近一段较小的范围内，在附近并没有亮度信息，能量分布如图3.1-6所示。图3.1-6频谱交错原理图由于彩色摄象管的扫描参量（fV、fH、z、隔行扫描）与黑白电视一样，所以，R、G、B信号的频谱结构和带宽与黑白电视的亮度信号完全相同。而彩色电视的亮度信号Y和色差信号（RY）、（GY）、（BY）都是R、G、B的线性组合，因此，它们和黑白电视的亮度信号频谱结构也完全一样。在图3.1-6中，图（a）是亮度信号频谱图，图（b

9、）是经压缩后的色差信号频谱（01.3MHz）。由图可见：我们可以把色差信号设法安插在亮度信号频带的空隙中进行传送，但是不能简单地将亮度信号和色差信号混合在一起；否则，由于它们的基波和谐波的频率相同，势必使它们相互重迭，而无法在收端将它们分离出来。NTSC制和PAL制都采用两个色差信号对同一个副载波进行正交平衡调幅，把色差信号的频谱搬到视频高端，精确选定副载波的频率，使已调色度信号的频谱，正好插入亮度信号的频谱空隙处，以形成频谱交错，如图（c）所示。从而达到压缩频带的目的。通过高频混合原理和频谱交错两项措施，将彩色电视信号的频带压缩到与黑白电视信号的带宽相同（例如6MHz）。3.2 NTSC制N

10、TSC制是1953年美国研制成功的一种兼容性彩色电视制式，NTSC是National Television System Committee（国家电视制式委员会）的缩写词。该制式对色差信号采用了正交平衡调幅技术，因此又称为正交平衡调幅制。为了实现兼容，必须将两个色差信号调制在精确选定的副载频上， （被色差信号条幅的载波成为副载波）使色度信号和亮度信号实现频谱交错。现在来研究两个色差信号的调制方式。为了兼容，这种调制方式必须满足：色度已调波对亮度信号在干扰最小；已调波中无用信号成分少、有用成分多，因此彩色信杂比高；两个色差信号互不干扰，在接收机中容易分开。为此，必须选用正交平衡调幅调制方式。3.

11、2.1 平衡正交调制平衡调幅就是抑制副载波的调幅，简称抑载调幅。普通调幅的数学表达式为：uAm=(us+Umcost)cos wt=us(1+Mcos t)cos wt =Uscos wt+M/2 cos(w+)t +M/2 cos(w-)t 抑载调幅为：uAm=(us+Umcost)cos wt=us(1+Mcos t)cosw t=Uscos wt+M/2 cos(w+)t +M/2 cos(w-)t可见平衡调幅信号正好是调制信号和被调制信号的乘积。它与普通调幅的区别在于没有载频分量。正交调幅是将两个色差信号RY和BY分别调制在频率相同、相位差90的两个副载波上，再将两个输出加在一起。在接

12、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。色差信号正交平衡调幅的方框图如图3.2.1-1所示。其中，共有两个平衡调幅器，一个是RY调制器，副载波为cost；另一个是BY调制器，副载波为sint。若将两者的输出线性相加，则得到色度信号（ 式3.2.1-2）图3.2.1-1交平衡调幅方框图 图3.2.1-3示出合成信号与两个平衡调幅输出之间的矢量关系。图中对角线的长度C代表色度信号ec(t)的振幅，是ec(t)的相角，其中（式3.2.1-4）图3.2.1-3 上式说明，色度信号是一个调幅调相波，其振幅变化反映了色饱和度的变化，而相角与两个色差信号的比值有关，对不同的

13、色调来说这个比值是不同的，故反映了色调的变化。在接收端欲从式（3.2.1-2）所示色度信号中分离出两个色差信号，不能采用普通检波，而应采用同步检波技术，其方法是将色度信号与和副载波同频同相的本振载波信号相乘。 图3.2.15画出了单一频率信号和色差信号的平衡调幅波形，由图可见：（1）平衡调幅波不含载波分量。（2）其极性由调制信号和载波共同决定，如果两者之一反相，平衡调幅波的极性则相反。（3）调制信号为零，则平衡调幅波为零。就是说，当色差信号为零或很小时，就没有或只有很小的色度信号加到亮度信号上，这对兼容是很有利的。（4）平衡调幅的包络不再是原来的调制信号，因此不能用普通检波检出原调制信号。（5

14、）只有在原载波的正峰点对平衡调幅波取样，才能得到原来的调制信号。同步检波正是在副载波正峰点时刻对平衡调幅波进行取样。图 3.2.1-5 单一频率信号与色差信号的平衡调幅波3.2.2NTSC制中的参数与性能一、色同步信号由正交平衡调幅得到的色度信号，在电视接收端不能用普通的包络检波期间除调制信号，应采用同步检波方式。从数学上看，同步检波器就是一乘法器，即用一个与色副载波频率相同、相位适当的本机产生的副载波去乘色度信号。如果本机恢复的副载波频率和相位发生偏移，造成解调与色度信号的V轴、U轴不能分别重合，解调出U信号、V信号幅度随着偏移的加重而减小，同时U信号、V信号的互串现象越发严重。同步检波的关

15、键在于在接收端产生一个与发端副载波同频同相的本地副载波。为此，发端必须发送一个色同步信号，以便用它去锁定接收机的本地副载，使其与发端副载波同频同相。色同步信号是一串频率等于副载频的高频振荡，它只有810个周期，放置在行消隐的后肩上，在均衡脉冲和场同步期间不发色同步信号，NTSC制的色同步相位180。二、副载频的选择原则1. 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，即fs=(n-1/2)fH 式中n为整数，在这些频率点上亮度信号的能量趋近于零。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；另外

16、，还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.色度信号上连带（约1.5MHz）的边界值不能超过视频信号的带宽（6MHz），故副载频应低于4.5Mhz。4.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。通常要求（2n1）是若干较小质数之乘积。例如通常取n=228，284等。若n=284，则（2n-1)=567=34*7。根据上述原则，对于525行、60场 、行频为15734Hz扫描制式的副载频fs，它选n=223计算得fsc=(2n-1)fH/2=3

17、579545MHz三、NTSC 制的主要性能NTSC制的主要优点：1.NTSC制的色度信号组成方式最简单，最易于进行信号处理，比如数码化，亮度与色度分离等。同时，NTSC制的接收机、电视中心设备和录象设备最简单，成本最低。2.亮度信号和色度信号的频谱间距最大，兼容性好，亮度串色和色副载波干扰光点最小。3.无行顺序效应（即爬行现象）和亮度闪烁现象。这是因为NTSC制每一行对亮度信号和色度信号的处理和传送方式相同，而PAL制和SECAM是逐行变化的，故引起行顺序效应。4.演播室进行图象慢转换（淡出一淡入）、切换、混合等特技操作比较方便。5.在没有信号失真的情况下，它有较高的图象质量，如具有较高的彩

18、色水平和垂直清晰度。NTSC制的主要缺点：1、色度信号是叠加在亮度信号上的，由于传输系统的非线性，叠加在不同亮度电平上的色度信号的增益将不同。这种色度信号振幅增益随亮度信号电平高低而产生的大小变化称为微分增益失真，主要造成被传送色度信号的饱和度失真。2、色度信号的相位失真对重现彩色的色调有明显影响，即存在相位敏感性。色度信号的相位失真将导致色调失真，而产生相位失真的主要原因有三方面：（1）微分相位的影响NTSC制的色度信号是迭加在亮度信号上一起传送的，色度信号相对于亮度信号的幅度，确定了被传送色的饱和度。色度信号相对于色同步信号的相位，确定了被传送色的色调。当亮度信号电平发生变化，会使色度信号

19、在晶体管或电子管特性曲线上来回移动，随着亮度电平的高低变化，色度信号的相位和幅度将会产生失真，它们分别称为微分相位失真和微分增益失真。产生微分增益失真的原因：因为电视系统为一非线性系统，随着亮度电平的高低变化，色度信号幅度的放大倍数不能保持恒定，而产生增益失真。产生微分相位失真的原因：接收机的解调副载波都是以色同步信号的相位作为基准的，因此色度信号与色同步信号相位差决定了被传送色的色调。例如设被传送色是红色，其相角为103，为了使其色调不失真，则色度信号和色同步信号的相位差应保持恒定，即77，如图3.2.2-2所示。由于色同步信号总是于消隐电平上，而色度信号位于不同的亮度电平上，故两者通过非线

20、性系统后，产生了不同的相位移，使两者的相位差发生变化，等于。例如，对被传送的红色，其色调就可能变成红色偏紫或红色偏黄，使色调出现失真。实验表明，当色度信号幅度变化达15时，可察觉出饱和度失真，当其幅度变化超过30时，人眼对饱和度的失真将不能允许，因此，NTSC制规定微分增益容限为30。图3.2.2-1（2）不对称边带的影响传输出系统频率特性不良，会使对称边带的色度信号变成不对称边带的信号，色度信号一旦出现不对称边带，就会产生“正交串色”，使色度信号产生相位失真。（3）多径接收的影响由于高层建筑和地形的影响，电视机接收到的电波，既有直射波，也有经过一次或者多次反射的反射波。反射波的存在会使传输出

21、通道的频率特性发生变化，从而导致色度信号的相位和幅度的失真。3.2 NTSC制NTSC制是1953年美国研制成功的一种兼容性彩色电视制式，NTSC是National Television System Committee（国家电视制式委员会）的缩写词。该制式对色差信号采用了正交平衡调幅技术，因此又称为正交平衡调幅制。为了实现兼容，必须将两个色差信号调制在精确选定的副载频上，使色度信号和亮度信号实现频谱交错。现在来研究两个色差信号的调制方式。为了兼容，这种调制方式必须满足：色度已调波对亮度信号在干扰最小；已调波中无用信号成分少、有用成分多，因此彩色信杂比高；两个色差信号互不干扰，在接收机中容易分

22、开。为此，必须选用正交平衡调幅调制方式。一、平衡调幅平衡调幅就是抑制载波的调幅，简称抑载调幅。普通调幅的数学表达式为：uAm=(us+Umcost)cos wt=us(1+Mcos t)cos wt =Uscos wt+M/2 cos(w+)t +M/2 cos(w-)t 3.3 PAL制为了克服TNTSC制电视系统的相位敏感性的缺点，1962年德国提出一种PAL（Phase Alternation by Line）制彩色电视系统。3.3.1 PAL制补偿相位失真原理PAL基本编码方法与NTSC制一样，差别在于发送端形成色度信号Cu分量时是用V色差信号对逐行倒相的副载波进行平衡调幅，即一行对f

23、sc90副载波平衡调幅为Vcossct，而另一行对fsc-90副载波平衡调幅为-Vcossct，再与色度信号Cu分量Usinsct相加组成色度信号C(t)。设第n行色度信号为：Usinsct+Vcossct，则第n+1行色度信号为：Usinsct-Vcossct而第n+2行与n行相同，n+3行又与n+1行相同，如此反复变化。对于表达式为Usinsct+Vcossct各行色度信号，由于它们的Cu分量与NTSC制完全相同，我们称它们为NTSC行，或简称N行，或不倒相行；而其余各行色度信号虽然Cu分量与NTSC制Cu分量相同，但其Cv分量与NTSC制Cv分量相比其色副载波是倒相的，故称这些行为PAL

24、行，简称为P行或倒相行。这样PAL制色度信号可写成：CNTSC=Cu+Cv=Usinsct+VcossctCPAL=Cu-Cv=Usinsct-Vcossct到了接收端的解码电路中，首先将倒相行的色度信号Cv分量倒回去，然后利用人眼的彩色视觉特性将相邻两行彩色进行空间平均，或者利用电延迟特性对两行信号进行电平均，达到克服相位失真的目的。色度信号逐行倒相克服相位敏感性的原理可用图3.3.1-1说明。对一个任意的色度信号F来说，其NTSC行的失真信号为F1；PAL行由于逐行倒相，相邻象素色度信号本来是，滞后角就成了F2。在接收机中，PAL行的矢量F2又被倒相变成，和F1恰好对称地位于F的两旁。经过

25、视觉平均以后，两者的合成彩色将准确地等于原来的色调，只不过饱和度下降为无失真时的cosf倍。所以色度信号的幅度相对变化量是。当幅度下降15时，人眼刚刚察觉出饱和度下降。PAL制电视系统允许微分相位的容限为40。图3.3.1-1相位失真的互补举例来说，如果F是紫色，失真后的F1是紫偏蓝色，为紫偏红色，由于荧光屏上这两个象素相邻近，所以看起来还是紫色。即使是相位误差高达40，F1几乎已经是蓝色，几乎已经是红色，但平均起来还是紫色。综上所述，PAL制采用逐行倒相与平均作用后，把严重的色调失真变成人眼不敏感的饱和度失真，有力地克服了NTSC制相位敏感性的缺点，其微分相位失真容限从NTSC制的12扩大到

26、40。3.3.2色副载波频率的选取由于PAL值色度信号的Cv分量采用逐行倒相技术，使色度信号Cv分量与Cu分量频谱交错，色度信号与亮度信号不能采用简单的半行频间置。为了使色度信号与亮度信号主、副谱线能以最大间距间置，就必须选择适合的副载频频率。一、PAL制色度信号的频谱结构为实现PAL制的Cv分量逐行倒相可用一个开关函数f(t)去乘V（cossct）的某一项。f(t)是半行频方波，在+1与-1之间跳变。其表达式为：f(t)=+l （2nTH t (2n+1)TH）f(t)=-1 (2n+1)TH t (2n+2)TH)n=0，1，2，3图3.3.2-1PAL开关函数的波形及其频谱如果副载频仍然

27、像NTSC制那样定为（2n-1)fH/2,即sc位于半行频点上，那么逐行倒相副载频的上下边频必然位于nfH频率点上，它们与亮度信号频谱重合，其结果色度副载波对亮度信号产生了点结构干扰，使兼容的图像质量下降。二、1/4频谱间置要实现色度信号与Y信号的频谱间置，PAL制只能以四分之一行频为最大间距选择副载频，使亮度信号Y位于色度信号Cv分量和Cu分量的谱线中间：fsc=(n1/4)fH即所谓1/4行频间置。PAL制实际采用的是 fsc=(n-1/4)fH，采用 1/4行频间置后，Y、Cv、Cu之间的谱线关系如图3.3.2-2所示。式中n=284时，PAL制的fsc初步选择为：fsc=(n-1/4)

28、fH =（284-1/4）fH=283.75fH=4.43359375(MHz)为实现亮度信号与色度信号的最大间距间置，减少亮度、色度之间的串扰，PAL制副载波频率选取为：fsc=283.7516fH=4.43361875（MHz）即25Hz帧频偏置。图3.3.2-2 1/4行频间置的Y、Cv、Cu信号频谱三、PAL制色同步信号在NTSC制中，向接收机提供副载波基准频率和相位的色同步信号为fsc180，每行约10Hz周期的色度副载波，在PAL制中，色度信号Cv分量是逐行倒相的。接收机解调色度信号是需要知道那行是不倒相行（N行），那夯实倒相行（P行），以便正确地将P行的Cv分量相位转正回来。因此

29、播送端还要传输出这方面的附加信息，这一信息也要有色同步信号的同步分量提供；二是给出逐行倒相顺序，它由色同步信号的识别分量提供。前一功能与NTSC制的相同，后一功能是PAL制特有的。为了具备以上两个功能，PAL色同步信号采用135和225逐行交替的相位。N行色度信号的相位为135（相对U轴而言），P行则225。由于PAL制色度信号是相邻两行进行平均，所以它的同步信号的平均相位为：（135+225）/2=180所以PAL制色同步信号的第一功能是依靠其平均相位180来实现的。色同步信号的第二功能是依靠其相位的逐行交变，使接收机副载波恢复电路中的鉴相器能另外输出一个频率为1/2fH的识别脉冲（也称P脉

30、冲），以控制解码器中的PAL开关，使PAL开关输出的解调色度信号分量的本机副载波的相位与播送端编码器中的被Cv信号调制的副载波相位一致。于是，当N行的色度信号进入V同步检波器时，输入到V同步解调器的本机副载波为cossct，而当P行的色度信号进入同步解调器时，输入到V同步解调器的基准副载波为-cossct，结果每行都能解调出正确的V信号，这就是被倒相的色度信号Cv分量的相位获得了转正。3.3.3 PAL信号编码器PAL编码器的主要作用是将三基色信号变换成全电视信号，基本原理与NTSC制的一样，也采用两个平衡调制器分别产生的U、V的已调波，再将u、v分量相迭加，形成色度信号。不同的是V分量要逐行

31、倒相，所以需添加倒相电路，使加给V平衡调制器的副载波实现逐行倒相。逐行倒相电路包括分相器和电子开关。图3.3.3-1中分相器和电子开关对副载波进行逐行倒相。分相器可用变压器或者三极管裂相；电子开关可由三极管或二极管组成，它们都是受PAL脉冲的控制，所谓PAL脉冲就是半行频方波，它是由彩色同步机直接或间接提供的。图3.3.3-1 V副载波逐行倒相综上所述，彩色同步机除了象黑白同步机一样输出行推动、场推动、复合消隐和复合同步四种脉冲外，还要输出色度副载波、K 脉冲和P脉冲。色度副载频是同步机的基准频率，其他频率由此导出。副载波逐行倒相的PAL制编码器方框图如图3.3.3-2所示。图3.3.3-2PAL编码方框图 经过校正的三基色信号R、G、B由矩阵电路变成亮度信号Y、蓝色差信号（BY）和红色差信号RY。在亮度通道中，设置有副载波陷波器和延迟线，前者是为了减少进入接收机色度通道的亮度串色，而当不希望它影响黑白兼容图象的清晰时，也可将其旁路；后者是为了均衡色度信号因频率受限而在时间上产生的延迟。通过陷波器和延迟线的Y信号，再经放大、钳位等处理电路，并混入复合消隐信号（BL）和复合同步信号（S）后，便形成黑白全电视信号（VBS）。在色度通道里，（RY）、（BY）先经带宽（1.3MHz）限制，并压缩为V、U信号