第四章兼容制彩色电视制式、编码与解码

第四章兼容制彩色电视制式、编码与解码4.1黑白、彩色电视兼容的可能性4.2兼容制彩色电视制式4.3PAL制彩色电视编码与解码原理4.4梳状滤波器解码原理复习思考题4.1黑白、彩色电视兼容的可能性•4.1.1亮度与三基色信号的关系;•由前面的讨论可知,亮度信号E-Y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ER、EG、EB,它们反映了景物各像素的亮度、色调及色饱和度的变化信息。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、色调及色饱和度。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,此亮度信号正是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:•EY=0.30ER+0.59EG+0.11EB(4-1)•式中三个系数之和等于1,如果ER、EG、EB都相等且为1V,则EY也是1V,即由它们给出的亮度总和为白色;如果ER、EG、EB相等但相对值小于1而大于0,则EY是灰色;当ER、EG、EB均为0,则EY是黑色。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与亮度信号相同。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(4-1)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,ER=0.7V,EG=0.6V,EB=0.2V,此彩色的总亮度信号为•EY=0.3×0.7+0.59×0.6+0.11×0.2=0.586V•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,ER、EG、EB、EY四种信号只有三种是独立的,已知任意三种,就可以通过加减法矩阵电路来合成第四种。由于各项的系数均小于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来产生。;•显然,这给兼容电视提供了方便与可能,为了书写方便,今后把以上四种信号EY、ER、EG、EB分别用Y、R、G、B来表示。•4.1.2色度信号的编码传输•一、色度信号的编码•要实现彩色与黑白电视的兼容,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R、B,或R、G、或G、B,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崐亮度,而R、B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一定比例合成。只要将(4-1)式从各基色信号中减去,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[JY](4-2)•B-Y=-0.3R-0.59G-0.89B[JY](4-3)•G-Y=-0.3R+0.41G-0.11B[JY](4-4)•由于G-Y信号数值较小,对改善信杂比不利,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。•二、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,而不含色度,例如传输一灰色时,其三基色信号为R=G=B=0.5V,它们合成的亮度信号Y=0.5V。色差信号必然为零,而色差信号只表示色度不表示亮度,只要将(4-1)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)(4-5)•这就是说,在(4-5)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,黑白电视机只接收彩色电视台中的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应保持恒定,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(4-1)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(4-6)•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••R′=0.3+0.5=0.8V•G′=-0.191+0.5=0.309V•B′=0.2+0.5=0.7V•显然,色调有失真,红色更加偏紫了,但它们按(4-1)式合成的亮度信号Y′仍然为0.5V,即此时所显示的亮度仍然与失真前的相同。这个道理很容易由(4-5)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γ失真,在发送端必须进行γ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+0.59G+0.11B•经正确的γ校正后形成的正确的亮度信号应该是•Y=(0.3R+0.59G+0.11B)(4-7)•但在实际的彩色电视中,亮度信号是从经过γ校正后的三基色信号而得到的,崐因此,实际的亮度信号可表示为•(4-8)••在传送黑白图像时,R=G=B,由(4-7)式和(4-8)式计算的结果相等,即Y′=Y,说明Y′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、G、B不相等,则按(4-8)式所确定的实际亮度信号Y′的幅度总是小于按(4-7)式所确定的正确亮度信号的应有值。1111111.059.03.011.059.03.0BGRBGRY1Y•但在实际的彩色电视中,亮度信号是从经过γ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•Y′=0.3R′+0.59G′+0.11B′•=0.3R+0.59G+0.11B(4-8)•在传送黑白图像时,R=G=B,由(4-7)式和(4-8)式计算的结果相等,即Y′=Y说明Y′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、G、B不相等,则按(4-8)式所确定的实际亮度信号Y′的幅度总是小于按(4-7)式所确定的正确亮度信号的应有值。1111Y•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。用黑白电视机接收彩色信号时,彩色图像的亮度低于应有亮度,说明了“恒定亮度原理”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,还不致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带宽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带宽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:•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。•4.1.3频带压缩与频谱间置;•一、频带压缩;•由上可知,我们选用亮度信号Y和两色差信号(R-Y)、(B-Y)作为彩色电视信号,如果不加任何限制和处理的话,则彩色电视信号的总频带过宽,技术上实践有困难,更无法实现兼容,所以,必须压缩彩色电视信号的频带宽度。•由于彩色电视的清晰度是由亮度信号的带宽来保证的,所以,彩色电视信号中的亮度信号不能压缩,保持6MHz的带宽,而彩色并不表示图像的细节,可将彩色信号的频带加以压缩,不必传送色度信号的高频分量。实践证明:将色度信号频带压缩到1～1.5MHz,重现彩色图像效果已能满足要求,我国彩电制式中,规定色度信号带宽为1.3MHz。•二、频谱间置;•色差信号的频带虽经压缩,但仍与频带宽度为6MHz的亮度信号重叠,这样不仅互相干扰,而且接收端也无法将它们区分开。那么,如何使亮度、色度共用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崐两个不同的概念,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,因为它也是按同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频。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信号频谱交错,如图4-1所示。其中,色差信号调制所用载波信号称为副载波,我国彩色电视所选择的副载波频率为fSC=4.43361875MHz,图4-1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间隔的中央,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4-1频谱交错•4.1.4彩色电视全射频电视信号频域图;•彩色全电视信号(FBAS)是由黑白全电视信号与色度信号叠加而成的,仍采用残留边带发送,它与高频伴音信号合在一起称为彩色电视全射频电视信号,其频谱示意图如图4-2所示。由图可见,其频带宽度和频道划分与黑白电视完全一样,仅在高频端色差信号对副载波是双边带调幅,由上可知,色度信号与亮度信号频谱交错,互不干扰,所以,黑白、彩色电视完全可以兼容。图中,fS仍表示FM制伴音信号载频,它比图像载频fP仍高6.5MHz。4.2兼容制彩色电视制式•4.2.1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