---色差与调制

第二章彩色电视制式与彩色电视信号彩色电视的制式就是对彩色电视信号进行加工、处理和传输的特定方式。为了把三基色电信号由发送端传送到接收端，最简单的办法是用三个通道(有线或无线)分别把三种基色电信号传送到接收端，在接收端再分别用R、G、B三个电信号去控制红、绿、蓝三个电子束，从而在彩色荧光屏上得到重现的彩色图像。然而，这种传输方式不仅会占用较大的带宽，也无法实现与黑白电视的“兼容”，因而没有采用。实用中的广播电视都采用黑白与彩色电视可以相互“兼容”的。目前，有三种兼容制彩色电视制式：NTSC制、PAL制和SECAM制。2．1兼容制彩色电视系统的传送方式彩色电视是在黑白电视的基础上发展起来的。在彩色电视的发展过程中，必然会在相当长的一段时间内，黑白电视与彩色电视同时并存的情况，所以必须研究彩色电视与黑白电视的“兼容”问题。所谓的兼容，就是黑白电视机可以收看到彩色电视系统所发射彩色电视信号（当然，所看到图像仍然是黑白图像。）；彩色电视机可以收看到黑白电视系统所发射黑白电视信号（当然，所看到图像也是黑白图像。）。2．1．1兼容的必备条件(1)所传送的彩色电视信号中应有亮度信号和色度信号两部分。亮度信号包含了彩色图像的亮度信息，它与黑白电视机的图像信号一样，能使黑白电视机接收并显示出无彩色的黑白画面；色度信号包含了彩色图像的色调与饱和度等信息，被彩色电视机接收后，与亮度信号一起经过处理后显示出彩色画面。另外，彩色电视机接收到黑白电视信号后，也能显示出与黑白电视机基本相同的图像。(2)彩色电视信号通道的频率特性应与黑白电视通道频率特性基本一致。应该有相同的频带宽度、图像载频和伴音载频。图像和伴音的调制方式应黑白电视系统相同，且频道间隔相同(8MHz)。(3)彩色电视与黑白电视应有相同的扫描方式及扫描频率，相同的辅助信号及参数。(4)应尽可能地减小黑白电视机收看彩色节目时所受到（彩色信号的）干扰，以及彩色电视中色度信号对亮度信号的干扰。在以上各条中，要实现扫描方式和扫描频率一致、具有相同的图像及伴音载频相对较容易。困难的是如何形成亮度与色度信号；如何保证彩色与黑白电视具有相同的频带宽度，并尽可能地在减少干扰的情况下传送这些信号。2．1．2大面积着色原理人眼视觉特性的研究表明，人眼对黑白图象的细节有较高的分辨力，而对彩色图象的细节分辨力较低，这即所谓的“彩色细节失明”。因而，当重现彩色图像时，对着色面积较大的各种颜色，全部显示其色度可以丰富图像内容，而对彩色的细节部分，彩色电视可不必显示出色度的区别，因为人眼已不能辨认它们之间的色度的区别了，只能感觉到它们之间的亮度不同。这就是大面积着色原理的依据。在彩色图像传送过程中，只有大面积部分需要在传送其亮度信息的同时还必须传送其色度成分。颜色的细节部分(对应于信号的高频部分)，可以用亮度信号来取代。这种方法又常称为“高频混合原理”。电视图像的水平清晰度是和信号的频带宽度成正比的。水平清断度每增加80线，相当于视频带宽增加lMHz，因而可用6MHz带宽传送亮度信号，而用窄带传送色度信号。经过对许多正常视力的人统计，使用lMHz带宽传送色度信号，所获得的彩色图像88％的人会感到满意，若用2MHz带宽传送色度信号，几乎所有的人都会对所获得的彩色效果满意。我国电视制式规定:色度信号的频带宽度为1.3MHz。2．1．3频谱交错原理根据大面积着色原理和高频混合原理，色度信号的带宽虽可以大大地压缩，但是彩色电视信号中的亮度信号频谱已占有6MHz带宽，若把已压缩的色度信号直接与亮度信号混合，由于亮度信号和色度信号在时域和频域均有重叠，会出现严重的相互干扰。我们知道，亮度信号的频谱具有间隙很大梳齿状特征，因而只要设法将色度信号插到亮度信号频谱的空隙中，实现“频谱交错”，这样即可使色度信号不占有额外的频带，又可避免亮度、色度信号间的干扰，使彩色电视信号仍然6MHz的频带范围，从而满足与黑白电视的兼容条件。要实现“频谱交错”，需将色度信号的频谱移动半行频（fH/2）的奇数倍，使色度信号的频谱与亮度信号的频谱错开（为了与黑白电视兼容，不能移动亮度信号的频谱）。实现的办法是，选择一个合适的载频fSC（色度副载波），将色度信号调制在这个副载波上，即可将色度信号的频谱搬移到合适位置上。2．2亮度信号与色差信号为了传送彩色图像，从兼容的角度出发，彩色电视系统中应传送一个只反映图像亮度的亮度信号，以Y表示，其特性应与黑白电视信号相同。同时还需传送色度信息，常以F表示。根据三基色原理，必须传送反映R、G、B三个基色的信息。亮度方程：Y=0.30R+0.59G+0.11B告诉我们在Y、R、G、B这4个变量中，只有3个是独立的。所以只要在传送Y的同时，再传送三个基色中的任意两个即可。由于每个基色信息中都含有亮度信息，如果直接传送基色信号，巳传送的亮度信号Y(为各基色亮度总和)与所选出的两个基色所包含的亮度参量就重复了，因而使得基色与亮度之间的相互干扰也会十分严重（带宽不同）。所以通常选择不反映亮度信息的信号传送色度信息，例如基色信号与亮度信号相减所得到的色差信号(R-Y)、(G-Y)和(B-Y)，可从中选取两个代表色的度信息。因此，在彩色电视系统中，为传送彩色图像，选用了一个亮度信号和两个色差信号。2．2．1亮度、色差与R、G、B的关系由亮度方程：Y=0.30R+0.59G+0.11B可得色差信号：R-Y=R-（0.30R+0.59G+0.11B）=0.70R-0.59G-0.11BG-Y=G-（0.30R+0.59G+0.11B）=-0.30R+0.41G-0.11BB-Y=B-（0.30R+0.59G+0.11B）=-0.30R-0.59G+0.89B三个色差信号中只有二个是独立的，常选用(R-Y)和(B-Y)两个色差代表色度信号。这是因为对大多数彩色来说，(G-Y)比(R-Y)和(B-Y)数值要小，如选择(G-Y)对改善信噪比不利。在已知(R-Y)和(B-Y)的情况下，可以容易地求得(G-Y)。令：Y=0.30Y+0.59Y+0.11Y，并与亮度方程相减：0.30（R-Y）+0.59（G-Y）+0.11（B-Y）=0得：Y)0.19(BY)0.51(RY)(B0.590.11Y)(R0.590.30YG在接收端根据上式先用矩阵电路解出(G-Y)，再运算：(R-Y)+Y=R，(G-Y)+Y=G，(B-Y)+Y=B，即可恢复出基色信号。传送Y、R-Y、B-Y在传送黑白电视图像时，R、G、B应相等，因而色度信号为零。设R＝G＝B＝Ex，则利用亮度方程可求得：Y=0.30Ex+0.59Ex+0.11Ex=Ex，R-Y=Ex-Ex=0，B-Y=Ex-Ex=0对于黑白电视信号，反映色度的信号为零，表明具有很好的兼容性。在传送彩色图像时，三基色电压R、G、B不相同，若三个值都不为零，则说明该被传送的彩色是非饱和色，因为其中必然包含有由相等的三基色显所组成的白色成分。若三个值中有一个或两个为零，则所传送的彩色为饱和色。比如传送饱和黄色，R＝G＝1、B＝0，其亮度信号和色差信号分别为：Y=0.30+0.59=0.89，R-Y=1-0.89=0.11，B-Y=0-0.89=-0.89，此时，(R-Y)和(B-Y)均不为零。此外，在不计显像管γ失真及传输系统非线性的情况下，还可以证明代表色度信息的色差信号受到干扰时，将不影响亮度信号，也不会反映到图像的亮度上。因而重现图像的亮度就只由所传送的亮度信号所决定，常称其为恒定亮度原理。它正是选择传送色差信号的优点之一。证明：以Y=0.30R0+0.59G0+0.11B0=Y0表示摄像端获取的原景物亮度，用Yt、(R-Y)t和(B-Y)t分别表示传输后的亮度信号和色差信号，相对于发端信号而言，可能因混入了某种干扰而使幅度有所变化。用于重现彩色图像的三基色信号分别为：Rd=（R-Y）t+Yt；Bd=（B-Y）t+YtGd=[-0.51（R-Y）t-0.1-（B-Y）t]+Yt。因为不计入显像管γ失真，所以显示的亮度Yd将为：Yd=0.30Rd+0.59Gd+0.11Bd=Yt。可见重现的亮度Yd只与所传送的到接收端的亮度信号Yt有关，即实观了恒定亮度传输。然而，当考虑显像管的非线性电——光转换特性时(即γ≠1)，尽管在摄像端对每一基色信号还进行γ校正(开γ次方)，恒定亮度原理将不再满足，但影响不大。2．2．2标准彩条亮度与色差信号的波形与特点标准彩条信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。标准彩条信号是由三个基色、三个补色、白色和黑色，依亮度递减的顺序排列的8条垂直彩带。彩条电压波形是在一周期内用三个宽度倍增的理想方波构成的三基色信号。标准彩条信号有多种规范，如“100％幅度、100％饱和度”彩条，这种规范中白条电平为1，黑条电平为0，三基色信号的电平非1即0。但此类彩条色度信号幅度较大，与亮度信号叠加后会造成信号动态范围过大而产生失真。故我国规定使用75%幅度、100％饱和度信号作为标准测试信号。表2-1100%幅度、100%饱和度彩条三基色、亮度、色差电平值色别白黄青绿品红蓝黑RGB111110011010101100001000Y1.000.890.700.590.410.300.110.00R-Y0.000.11-0.70-0.590.590.70-0.110.00B-Y0.00-0.890.30-0.590.59-0.300.890.00表2-275%幅度、100%饱和度彩条三基色、亮度、色差电平值色别白黄青绿品红蓝黑RGB1110.750.75000.750.7500.7500.7500.750.7500000.75000Y1.000.6680.5260.4400.3100.2250.0830.00R-Y0.000.083-0.526-0.4400.4400.526-0.0830.00B-Y0.00-0.6680.224-0.4400.440-0.2240.6680.00G-Y0.000.0830.2240.310-0.310-0.224-0.0830.00标推彩条信号还可以用另一种由四个数码表示的命名法。例如l00-0-100-0彩条信号、100-0-75-0彩条信号等。在四位数码中，各信号均指经γ校正后的信号。每一数字表示相应条的基色信号的百分比幅度，而基准则是组成白条的任一基色信号的幅度。第一和第二个数字分别表示组成无色条(白、黑条)的R、G、B的最大值和最小值；第三和第四数字分别表示组成各彩条的R、G、B的最大值和最小值。例如，若组成白条的基色信号的幅度为1，则100-0-75-0彩条的各基色幅度为：白条信号为1；黑条信号为0；对应的各彩条信号的最大值为0.75，最小值为0。彩条信号由四个数码命名时，其百分比幅度和饱和度可以这样计算：饱和度%=[1-(Emin/Emax)γ]×100%；幅度%=Emin/EW×100%。式中，Emin和Emax分别对应彩条信号R、G、B的最大值和最小值；EW为白条所对应的R、G、B的信号幅度。2．3色度信号与色同步信号为了实现频谱交错，须将色差信号调制到副载波上。而色差信号有两个(R-Y和B-Y)，若分别调制到不同的副载波上，同时传输时会使带宽增加，所以需要进行编码处理，处理方式的不同从而产生了不同的彩色电视制式。就现有的三大兼容制彩色电视制式而言，NTSC制发展较早、PAL和SECAM是为克服NTSC制的相位敏感而发展起来的。NTSC制和PAL制色差信号都采用正交平衡调幅制，只是后者将其中一个分量进行了逐行倒相。所以我们首先分析正交平衡调幅的色度信号和色同步信号。2．3．1色度信号的形成在NTSC制中，它是将正交调幅与平衡调幅结合起来，将两个色差信号分别对相位正交的两个副载波进行平衡调幅，由此而得到已调信号，称其为色度信号。两个色差信号的频谱结构相同但相位不同（正交），因而避免相互干扰。1．平衡调幅所谓平衡调幅，是指抑制载