彩色全电视信号编码及重要信号的频谱分析

信息科学与技术学院

本科论文

论文题目：彩色全电视信号编码及重要信号的频谱分析院系：信息科学与技术学院

专业：08级电子信息科学与技术

学号：0814830014

姓名：

指导教师：

撰写学年：2010 至2011 学年

二零一一年六月

摘要

本文主要对彩色全电视编码过程及其重要信号与其频谱分析进行了详细论述。其中包括色差信号（R-Y,B-Y）,亮度信号Y,色度信号（U,FU,V,FV,F）以及行同步，场同步，消隐脉冲，色同步等信号以及最终合成的彩色全电视信号（FBAS）的波形图。此外，文中还介绍了与其相关的应用软件MATLAB 的历史与用途。

关键词MATLAB 彩色全电视信号亮度信号色度信号

大面积着色混合高频频谱交错

目录

引言 (3)

1彩色全电视信号的编码及关键信号的产生 (4)

1.1 MATLAB的历史及其应用 (4)

1.2彩色全电视信号的产生 (4)

1.2.1亮度信号的产生 (4)

1.2.2色度信号的产生 (6)

1.2.3同步信号 (9)

2 重要信号的频谱分析 (10)

2.2 PAL制的主要性能特点 (14)

3总结具体编码过程 (15)

参考文献 (16)

致谢 (17)

引言

为了使我们进一步认识彩色全电视信号的编码过程以及重要信号的频谱，我们特此进行了此次实验。

全电视信号（主要是其中的视频信号）还用来控制显像管的电子束。只要是收，发两端的扫描规律一致，并且扫描与电子束控制配合得当，就可以从显图像。在电视机中，同步分离时要产生一些延时，消隐信号又多用自己产生的，若与视频信号配合不当，将影响图像质量。因此，了解电视标准是很有意义的。

全电视信号中，各合成信号的电平关系是以同步信号电平为100%，黑电平（既消隐电平）为75%，白电平为0，其他亮度的电平介于0-75%之间，随图像内容变化。( 以同步信号的幅值电平作为100％；则黑色电平和消隐电平的相对幅度为75％；白色电平相对幅度为10％～12.5％；图像信号电平介于白色电平与黑色电平之间。)

在多媒体技术和电视行业，全电视信号是由亮度信号和色差信号组成的视频信号、音频信号以及同步信号在内的一帧电视信号。

1彩色全电视信号的编码及关键信号的产生

1.1 MATLAB的历史及其应用

MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。

1.2彩色全电视信号的产生

1.2.1亮度信号的产生

彩色全电视信号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，必然形成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。为了实现兼容，彩色电视广播必须传送一个亮度信号。由于彩色摄像机产生的是红、绿、

蓝三基色，那么怎样来产生一个亮度信号呢？根据三基色与三要素的关系可知，混合光的亮度为三基色光的亮度之和。又根据人眼相对视敏度特性可知，红、绿、蓝三基色信号中的亮度成分又是不一样的，视敏度高的基色（如绿色）含有的亮度成分多一些。NTSC制规定的红、绿、蓝亮度成分比例是0.30(红)：0.59(绿)：0.11(蓝)。比例系数的确定与规定的标准白光有关，与红、绿、蓝荧光粉的选择也有关。这就是说，红基色信号（ER）、绿基色信号（EG）、蓝基色信号（EB）可按这个比例混合，可获得一个亮度信号（EY），即亮度方程式为：EY=0.30ER+0.59EG+0.11EB。

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，已传送的亮度信号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。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

R-Y

B-Y

人眼对色度细节的分辨能力低于对亮度细节的分辨能力。当图像彩色细节细到一度程度后，人眼已分辨不出彩色，只有明暗感觉。因此在传送彩色图像时，在细节部分只需传送亮度信息而不需要传送色度信息。而图像的细节与图像信号的高频成分相对应，因此可以把色度信号中的高频成分滤除(不传送)，以缩小色度信号的频带.所以选用MATLAB的二阶滤波器，设置参数为13E+5，连接色差信号，仿真滤波：

R-Y

B-Y

亮度信号Y

1.2.2色度信号的产生

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，同时还需要传送色度信息，常以F表示。根据亮度方程Y=0.3+0.59G+0.11B，只要在传送Y的同时，再传送三个基色中的任意两个，就可以既满足兼容，又满足传送亮度与色度信息。

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的关系是：

U = 0.493(B-Y) （2-9）

V = 0.877(R-Y) （2-10）

式中0.493和0.873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sinωSCt和cosωSCt进行平衡调幅，从而得到两个平衡调幅信号FU和FV：

FU = UsinωSCt （2-11）

FV = VcosωSCt （2-12）

这两个平衡调幅信号FU 、FV（又称蓝色度分量和红色度分量）频率相等，相位相差90°，保持着正交关系，将两者相加便得到正交平衡调幅的色度信号F：

F = FU + FV = U sinωSCt + V cosωSCt（2-13）

F亦可用矢量表示，称彩色矢量，如图(2-8)

所示：

由图2-8可见，色度信号的振幅Fm和相角j（2-14)、（2-15）

由（2-14）和（2-15）两式可见，色度信号F的振幅Fm取决于U、V 值的大小；色度信号F的相角取决于V与U的比值，它决定着彩色的色调。这说明色度信号F包含着色调和色饱和度信息，是一个既调幅又调相的信号。当色度信号的相位发生变化时，会引起色调变化；当色度信号的振幅发生变化时，会引起饱和度变化。

实现正交平衡调幅的方框图如图(2-9)所示。

由副载波发生器产生的副载波sinwsct经放大后直接加至U平衡调幅器，由色差信号U进行平衡调幅，产生平衡调幅波FU分量；同时sinwsct 经过90°移相后，得到到正交副载波cosωSCt，然后送V平衡调制器由色

差信号V进行调制，产生平衡调幅波FV分量，FV与FU在合成器中相加得到色度信号F。

U

Fu

V

Fv

F

1.2.3同步信号

要从彩色全电视信号中获得两个色差信号，就要运用同步检波电路，它根据色度信号的两个分量相差2/pi的相位差解调出色差信号，这一方法叫同步解调，要实现同步解调，关键是要有一个与色差信号调制时的副副载波同频同相的恢复副载波。为保证所产生的副载波与发端的副载波同步，需要发端在发送彩色全电视信号的同时发送一个能反映发端副载波频率与相位的信号——色同步信号：

电视系统中，收发扫描必须严格同步，这就需要电视发送端每当扫描完一场时就加入一个行同步脉冲，得到行同步波形：

电子束在回扫时如果不采取措施，无论是行还是场都会出现回扫线，解决的方法就是加入消隐脉冲：

通过用MATLAB仿真电路，连接整个电路如图：

最后得到彩色全电视信号FBAS：

通过用MATLAB 仿真频谱电路，连接整个电路如图：

通过仿真电路，分别获得Y,Y1,F,Fv,FBAS的频谱波形：

Y Y1

F Fv

FBAS

2.1 频带压缩与频谱间

色差信号带宽 1.3MHz窄带图像色调和色饱和度

亮度信号带宽6MHz宽带图像明暗和清晰度

频谱间置（色度信号安插在亮度信号频谱空隙处）亮度信号和色差信号的频谱

2.2 PAL制的主要性能特点

(1) 克服了NTSC制相位敏感的缺点。PAL制使彩色相序逐行改变，使串色

极性逐行取反，加之梳状滤波器在频域的分离作用，使串色大为减小。又由

于人眼的视觉平均作用，就使得传输失真不再对重现彩色图像的色

调产生明显的影响。可使微分相位的容限达±40°以上。

(2) PAL制采用1/4 行间置再加25Hz彩色副载波，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，使亮度串色的幅度也下降了3dB，

从而使彩色信杂比提高了3dB。

(4) 由于PAL制为1/4 行间置，所以亮、色分离要比NTSC制困难

(NTS

制可以用1个整行延迟线的梳状滤波器实现亮、色分离，而PAL需要2行

迟)，且分离质量也较差。在要求高质量分离的场合(如制式转换和数字编

码等)，可采用数字滤波这类较复杂的技术。

(5) 与NTSC 制相比，PAL 制电路复杂，对同步精度要求高等缺点。

(6) 存在行顺序效应，即“百叶窗”效应。这是因为FU和±FV二分量互相串扰是逐行倒相的，造成相邻两行间较大亮度差异。由于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线条感。这种明暗线条因隔行扫描而向上蠕动，故也将行顺序效应称“爬行”，又因水平条纹形似百叶窗，因之称其为“百叶窗”效应。

产生行顺序效应的内因是色度信号分量逐行倒相，外因是传输误差或解码电路中的各种误差。

3总结具体编码过程

（1）将经过γ校正的R、G、B三基色电信号通矩阵电路，变换成亮度信号Y和色差信号（R-Y）和（B-Y）。

（2）为抑制色度信号副载波对亮度信号的干扰，在Y通道中接入一个副载波陷波器。陷波后的Y信号经过放大后与行、场同步及消隐信号相混合。

（3）色差信号（R-Y）和（B-Y）经幅度和频带压缩后，得到V、U。V信号与+K脉冲混合后与±coswSCt副载波同时进入平衡调幅器，经平衡调幅电路输出红色度分量±FV和色同步信号±FbV分量；色差信号U与-K 脉冲混合后，对sinwSCt平衡条调幅，得到FU和色同步信号FbU分量。以上二色度分量与色同步信号分量混合后，最后得到色度信号F和色同步信号Fb。为了得到逐行倒相的正交副载波±coswSCt，需要设置90°移相、180°倒相和PAL开关电路、逐行倒相的半行频（7.8kHz）开关控制信号jK （t）。

（4）色度信号F、色同步信号Fb、亮度信号Y与消隐信号A、同步信号S经混合电路后输出彩色全电视信号FBAS。

彩色全电视信号由多个信号组成，通过应用MATLAB进行仿真可以帮我们清楚地了解并记忆，把抽象的文字信息用具体的图像信号表现出来。MATLAB具有很多优势，在以后的学习中我们还会遇到很多类似的问题，能够熟练掌握MATLAB，即将给我们带来很多便利。

参考文献

[1] 《电视原理与现代电视系统》（西安电子科技大学出版社）

[2] 《电视原理与系统》（西安电子科技大学出版社2004-01 出版）

[3] 《电视原理》中国传媒大学精品课程教学网站

致谢

本次实验过程中出现了许多问题，在巩老师以及冯伟业等同学的帮助下最终完成。谨在此感谢巩瑞春老师以及其他各位同学的指导与帮助。