电视色同步信号

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(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。)，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。

1．调幅（AM）Amplitude Modulation 调幅就是被调制信号的振幅随调制信号而变化。

设调制信号为：（图2-4（a））

并设被调制高频信号如图（图2-4（b））

所示：其表达式为:

一般w S远大于W。则调幅后形成的调幅波u1可表示为：

（2 - 6）式中Ka是一比例常数。上式说明了已调幅波的振幅随时间作正弦变化，如图（图2-4（c））

图2-4 （a）调制信号（b）载波(c) 调幅波（AM波）

所示。图中上下两正弦曲线叫做调制包络线。其变化范围在最大振幅US + KaUW 最小振幅US - KaUW 之间。

在广播或通信领域中，把被调制的高频正弦波uS常称为载波。为了详细分析调幅波特性，将式（2-6）用三角公式展开：

（2-7）

上式中ma = KaUW / US ，称调幅系数。在实际中ma <= 1；若ma >1 ，这就是过调制，将引起原信号失真。

（2-7）式说明，载波经单一频率W的信号进行调幅后所得的高频波，其频谱含有三个频率分量。即载波频率ws、上边频ws + W 和下边频ws + W，它们的振幅分别是US、1 / 2USma 和1 / 2USma，上边频和下边频是关于载波对称的。图(2-5)

图2-5

（a）调制信号频谱（b）载波频谱（c）调幅波频谱

表示了调幅波的频谱。

一般情况下，调制信号是非正弦波，可近似为由许多频率不同的正弦波所组成。假设调制信号的频率范围是从W1到W2，载波频率为wS，则调幅波的频谱如图(2-6)

所示。

载频两边将形成一对镜像的频带，称为身边带和下边带。由图可见，已调信号的频带宽度等于调制信号最高频率的二倍。例如，若调制信号的最高频率为5kHz，则已调幅波的频带宽度等于10kHz。

2．平衡调幅

所谓平衡调幅，是指抑制载波的一种调制方式。它与普通调幅不同之处在于不输出载波，使得调幅波中没有UScoswSt项，因而其表达式变为：

（2-8）由

（2-8）式可见，平衡调幅波为调制信号与载波信号之积，所以，平衡调制器实质上是一个乘法器，其频谱仅含(ωS ±Ω)两个边频分量，不含载波ωS成分。它的频谱及波形分别如图(2-6)

和图（2-7）

图2-7 平衡调幅波形（a）调制信号（b）载波（c）平衡调幅波

平衡调幅波的特点：

(1) 平衡调幅波的幅度与调制信号幅度的绝对值成正比。当调制信号的绝对值最大时(图中

t3、t5时刻)，平衡调幅波幅度最大；当调制信号等于零时(图中t2、t4时刻)，平衡调幅波幅度也为零。

(2) 调幅信号为正值时，平衡调幅波与载波同相；调制信号电压为负值时，平衡调幅被与载波反相。当调制信号电平过零而改变其电压极性时，平衡调幅波相位随之变化180°。

为什么要采用平衡调幅来传送色差信号呢？

这是因为一般的调幅波信号包含着不含信息内容的载波，而信息包含在上、下两个边带之中。但是载波占用了一般调幅波信号能量的2/3。抑制掉载波，可使传送同样信息能量所需功率大为减少；还能减少载波对亮度信号的干扰。在彩色电视系统中，把被色差信号调制的高频载波叫色副载波。

3．正交调幅

将两个调制信号分别对频率相等、相位相差90°的两个正交载波进行调幅，然后再将这两个调幅信号进行矢量相加（频带宽度没有增加），这一调制方式称正交调幅。如果两个调制信号分别对正交的两个载波进行平衡调幅，其合成信号即为正交平衡调幅信号。

彩色电视系统中，为实现色度与亮度信号频谱交错，应用了正交平衡调幅的方式，只用一个副载波便实现对两个色差信号的传输，而且在解调端采用同步解调又很容易分离出红色差与蓝色差分量。

4．色度信号的形成

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。

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2.3.2同步检波原理

要从彩色全电视信号中获得两个色差信号，首先必须把色度信号从全电视信号中分离出来，然后送同步检波电路，利用两个色度分量FV、FU的相位差来解调出色差信号的。其解调原理如图2-10（a）

所示。

同步检波器可看成两个受副载波控制的开关，如图2-10（b）所示。开关工作特点是，当副载波为正的最大值时，开关闭合，其余时间开关断开。将色度信号F = U sinωSCt + V cosωSCt 送入这两个同步检波开关。在FU = U sinωSCt分量出现最大值时，U同步解调开关闭合，这时FV分量恰好为零，从而把U分量解调出来。同理亦可解调出V分量。由于控制同步检波的副载波必须与被检波的色度信号相位相同，所以称同步检波。其对应波形如图2-11

所示。

同步检波可解调出色差信号，还可由数学分析加以证

明。（2-16）

式中U / 2 是解调输出的色差信号，频带为0 ~ 1.3 MHz；其余两项为副载波的谐波成分，频率为副载波的二倍，很容易用低通滤波器将其滤除，从而得到色差信号。同理，用cosωSCt 与F相乘，经低通滤波器提取出V / 2色差信号分量。

返上

2.3.3色同步信号

要实现同步解调，需要一个与色差信号调制时的副载波同频、同相的恢复副载波。由于色度信号中副载波已被平衡调制器所抑制，所以在彩色电视接收机中需要设置一个副载波产生电路（副载波恢复电路）。为保证所恢复副载波与发端的副载波同频、同相，需要发端在发送彩色全电视信号的同时发出一个能反映发端副载波频率与相位信息的“色同步信号”，以使电视接收机中的副载波恢复电路所产生的恢复副载波与发端的副载波同步。色同步信号是由8～12个周期副载波组成的一小串副载波群构成（正弦填充脉冲），这个正弦填充脉冲的周期与行周期相同，位于行消隐的后肩上，前沿滞后行同步脉冲前沿5.6μs，如图2-12

所示。

色同步信号的幅度与行步脉冲幅度相等。若以h表示同步脉冲幅度，Fb表示色同步信号，则

（2-17）

色同步信号与彩色电视信号一起传送到接收端，彩色电视机将其从彩色电视信号中分离出来，去控制接收机的副载波发生器，使之产生与发送端副载波同频、同相的恢复副载波。再将此恢复副载波加于同步检波电路，从而解调出色差信号。

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2.3.4彩条图像对应的信号波形及矢量

1.压缩系数

根据表2-1所列彩条信号参数，利用公式

可分别求得白、黄、绿、品、红、蓝、黑所对应的亮度信号、色差信号、色度信号、亮度与色度的合成信号等数据，如表2-3所示。

据此绘出各信号波形如图2-15

所示（负极性电视信号）。

未经压缩的彩条信号Y+Fm 所得彩色视频信号的电平变化范围已大大地超过了黑白视频信号的电平变化范围。由表中数据可见，黄条和青条的最大值分别超过白色电平79％和46％；而红条和蓝条的最小值又分别低于黑条电平46％和79％。

电视标准规定，在100-0-100-0彩条信号情况下，取峰值白色电平与黑色电平差为1，图象信号最大摆动范围不得超过峰值白色电平与黑色电平以外0.33.也就是说复合信号的最大摆动范围在-0.33和1.33的界限之内.为此，分别按系数为x1和x2（均小于1）来压缩(B-Y)和(R-Y)的幅度。压缩系数后的信号分别用U和V表示，即

U = x1（B-Y）

V = x2（R-Y）

则压缩后黄、青视频信号幅度应满足下式关系：

带入黄条数据：

带入青条数据：

联立求解得：x1 = 0.493、x2 = 0.877。

2．压缩后彩条信号数据如表2-4

彩条波形如图2-14

图2-14注释：FV、FU波形分别是压缩后的色差信号V、U对色副载波平衡调幅波，副载波的振幅受V、U信号的调制。由于色副载波频率较高，所以用密黑竖条表示，实际上是如图2-7一样的振幅变化的正弦波。F的波形是FV与FU相加后形成的。视频信号的波形是Y+F后产生的。

所示

3．彩条对应的矢量图

根据表2-4所给出的三基色及三补色的振幅Fm和相角j，在U、V平面上绘制出各彩条信号的矢量图，如图2-13

所示。彩条矢量的方位（色度角）表示色调，彩条矢量模（色度信号的振幅）反映色饱和度。

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NTSC电视全屏图像的每一帧有525条水平线。这些线是从左到右从上到下排列的。每隔一条线是跳跃的。所以每一个完整的帧需要扫描两次屏幕：第一次扫描是奇数线，另一次扫描是偶数线。每次半帧屏幕扫描需要大约1/60秒；整帧扫描需要1/30秒。这种隔行扫描系统也叫interlacing（也是隔行扫描的意思）。适配器可以把NTSC信号转换成为计算机能够识别的数字信号。相反地还有种设备能把计算机视频转成NTSC信号，能把电视接收器当成计算机显示器那样使用。但是由于通用电视接收器的分辨率要比一台普通显示器低，所以即使电视屏幕再大也不能适应所有的计算机程序。

PAL是英文Phase Alteration Line的缩写，意思是逐行倒相，也属于同时制。它对同时传送的两个色差信号中的一个色差信号采用逐行倒相，另一个色差信号进行正交调制方式。这样，如果在信号传输过程中发生相位失真，则会由于相邻两行信号的相位相反起到互相补尝作用，从而有效地克服了因相位失真而起的色彩变化。

简单的说，NTSC和PAL属于全球两大主要的电视广播制式，但是由于系统投射颜色影像的频率而有所不同。NTSC是National Television System Committee 的缩写，其标准主要应用于日本、美国、加拿大、墨西哥等等，PAL 则是Phase Alternating Line 的缩写，主要应用于中国、中东地区和欧洲一带。

另外，PAL的每秒帧数是25帧，NTSC则是29.97帧。

除包括相同于黑白电视的扫描、信道等以拉丁字母来区别的制式内容外(表2),还根据发、收端对三基色信号的不同编码、解码方式构成不同的彩色电视制式。广播彩色电视制式要求和黑白电视兼容，也就是黑白电视机能收彩色电视广播，彩色电视机也能收黑白电视广播，但收到的都是黑白图像和伴音。为此，彩色电视根据相加混色法中一定比例的三基色光能混合成包括白光在内的各种色光的原理，同时为了兼容和压缩传输频带,一般将红(R)、绿(G)、蓝(B)三个基色信号组成亮度信号(Y)和蓝、红两个色差信号(B-Y)、(R-Y)，其中亮度信号可用来传送黑白图像，色差信号和亮度信号相组合可还原出红、绿、蓝三个基色信号。因此，兼容制彩色电视除传送相同于黑白电视的亮度信号和伴音信号外，还在同一视频频带内同时传送色度信号。色度信号是由两个色差信号对视频频带高频端的色副载波进行调制而成的。为防止色差信号的调制过载，将蓝、红色差信号(B-Y)、(R-Y)进行压缩，经压缩后的蓝、红色差信号用U、V表示。