彩条信号发生器

前 言 视频信号发生器是检测电视系统视频通道传输质量的一种常用信号源，可以用来对电视系统中的视频通道的传输特性进行测试和调整；可以方便地检测复合视频信号的幅度、周期；对各彩条信号的编码关系等显示得也十分清晰而精确。本课程设计将主要研究如何利用单片机和视频编码芯片来制作视频信号发生器。用此方法设计的视频信号发生器因其性价比高，应用广泛，使本课题即彩条信号发生器的制作在提高实践能力的同时也具有重要的实际应用意义。 本课程设计利用单片机灵活的编程能力可以设计多种不同形式的视频信号发生器，如彩条信号发生器；棋盘格信号发生器；方格信号发生器；活动矩形信号发生器等。 本课程设计主要采用了陶学炜高级工程师的设计内容，指导书中还采用了我系2003级通信工程专业学生毕业论文中的相关内容，在此表示感谢。

第一章 视频信号 1.1 扫描和同步 图像由像素组成，我国采用PAL制电视制式，电视屏幕的垂直方向扫描行数为625行。传统的电视屏幕的宽（水平）、高（垂直）之比为4：3，理想情况下水平方向的点数应为（625-50）×4/3，考虑场回程扫描所需的行数（每场25行，两场共50行）。则电视屏幕上的实际像素（点）的总数为 （625-50）×（625-50）× 4/3 =44.1×104 个 （约45万个） 像素越多，图像的清晰度就越高。 象素是通过扫描方式获得。每一帧图像均是由电子束顺序地一行接着一行连续扫描而成，这种扫描方式称为逐行扫描。逐行扫描占用的频带较宽，但它可以减少屏幕大面积闪烁和边缘闪烁，不易使眼睛疲劳。假设只有10行，图1-1所示为逐行扫描时场逆程回扫的轨迹；图1-2是逐行扫描场正程时的轨迹，实线是行扫描正程轨迹，虚线是逆程轨迹。隔行扫描方式是将一帧电视图像信号分成两场进行扫描。第一场扫出光栅的第1、3、5行等奇数行；第二场扫第2、4、6等偶数行。这样，每一帧图像经过两场扫描，所有像素就可全部传送完。隔行扫描占用的频带是逐行扫描的一半，假定每秒传送25帧图像，那么每秒扫描50场，即场频为50Hz，高于人眼的临界闪烁频率48Hz,解决了亮度闪烁的问题。仍假设只有10行，如图1-3，实线为场正程时的行正程扫描，虚线为行逆程，a到a＇为场逆程扫描轨迹。为了减少视频通道带宽，一般电视系统中均采用隔行扫描的方式。

图1－1 逐行扫描逆程轨迹 图1－2 逐行扫描正程轨迹 图1－3 隔行扫描 为了重现图像，必须传送图像信号。但是，由于图像是顺序传输的，必须加入同步脉冲，使收发两端同步。而且，还要使发送端的行、场逆程期间不传输图像信号，在发端必须加上消隐信号。因此，一个完整的视频图像信号必须包括视频信号、同步脉冲信号和消隐信号。 1.2 行、场消隐信号 行消隐是指电子束扫描完一行后回扫到另一行继续扫描的时间。行消隐信号就是在行消隐时，消去电子束回扫时留在屏幕上的回程线。行消隐信号由行消隐前肩、行同步、行消隐后肩组成，共12µs。 场消隐也是如此，隔行扫描分两场，从一场到另一场扫描时，也会出现场回程线。场消隐信号为20ms,为了保证在接受端用幅度分离法分出场同步脉冲期间不丢失行同步和保持垂直清晰度不变，在场消隐中加入了开槽和均衡脉冲信号。所以场消隐信号包括5个前均衡脉冲、5个开槽脉冲、5个后均衡脉冲和17或18个行同步信号组成。行、场消隐信号的主要参数如下表： 表1－1 行、场消隐信号的主要参数(单位：µs) 名称 行周期H 行消隐脉冲 行消隐前肩 行消隐后肩 行同步 参数值 64 12±0.3 1.5±0.3 5.8 4.7±0.2 名称 场周期Tv 场消隐脉冲 槽脉冲 均衡脉冲 场同步 参数值 20ms 25H+(12±0.3) 4.7±0.2 2.35±0.1 2.5H 1.3 视频图象信号 图1－4 黑白全电视信号波形 黑白全电视信号的波形如图1－4黑白全电视信号波形（负极性）所示。它由图像信号及行、场同步，行、场消隐，槽脉冲和均衡脉冲六种辅助信号组成。图中给出了相邻两场的负极性黑白全电视信号波形图，其中，图像信号波形是示意性的。

第二章 彩条图像信号 在自然界中，光的颜色与波长是一一对应的，比如，红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，就是可见光谱的彩色。而物体的颜色通常是指在自然光（白光）下物体所呈现的彩色。它与物体对光的反射特性、透射特性有关。描述彩色视觉可以采用3个基本参量：亮度、色度和饱和度。

310 336 亮度是光作用于人眼所产生的明暗程度的感觉。光源的亮度正比于光通量，而物体的亮度决定于物体反射（或透射）光的能力，也决定于照射该物体的光源的辐射光功率。 色度表示颜色的类别，比如，红色、绿色、蓝色等。光源的色调与光源的所辐射的功率波谱有关。而物体的色调取决于物体对光的反射特性，即物体反射光的光谱成分决定了物体的色调。 饱和度用来描述彩色的深浅程度。饱和度越高，彩色越深；反之，颜色越浅。彩色光的饱和度决定于这种彩色光所含白光的多少。白光越少，则饱和度越高。色调和饱和度合称为色度。用亮度、色度和饱和度3个基本参量就能准确描述彩色光。而非彩色光由于没有色度，故只用亮度描述。

2.1 三基色原理与相加混色 由于人眼的彩色视觉特性，不同彩色刺激会引起不同的彩色感觉。彩色电视正是利用了这一特性来实现的。自然界中，任意一种颜色都可以由三种基色按不同的比例相加混合得到。反之，任意一种彩色都可以被分解为三基色。选择三种基色的要求是：三种基色彼此独立，即其中的一种基色不能用其他的两种基色混合得到。混色实验已经证实，由红、绿、蓝三种颜色以适合的比例相加混合可得到多种彩色。例如，将红色光与绿色光混合可得到黄光；绿色光跟蓝色光相混合是青色光；又如，将红色光和蓝色光想混合可得到紫色光；将红色、蓝色和绿色三种颜色的光相混合就能得到白光。相加混合的结果可用图2-1表示。 根据三基色原理，我们将红、绿、蓝三种基色按不同比例混合，可以获得各种色彩。国际规定下面三种光谱为基色光: 波长为700nm的红光作为红基色，波

图2－1 三基色相加混色图 长为546.1nm的绿光为绿基色，波长为435.8nm的蓝光为蓝基色。 三路基色信号即R、G、B三个彩色图象信号。完全由三路基色信号来组成彩色传输系统是行不通的，因为三路信号的带宽之和是黑白信号的3倍，既不经济，也不合理；而且，更为重要的是与黑白电视接收机不兼容。所以，要把三个基色信号进行变换，得到一个亮度信号和两个色差信号来作为彩色电视的基本信号。 ① 亮度信号 为了满足兼容性，彩色信号必须有一种信号与黑白电视系统相同，并能送至黑白电视机显示的黑白图象。这就是与黑白视频信号相同的亮度信号，它与三个基色信号之间的关系式即亮度方程为： Y = 0.30R+0.59G+0.11B (2-1) ② 色差信号 为了传输色度信息，最好的方法是采用色差信号，即基色信号与亮度信号的差，它们是R-Y、B-Y、G-Y。三个色差信号中只有两个是独立的，第三个可用另外两个求出。对于任何颜色，绿色分量对亮度的贡献最大，故G-Y的值比其它两个色度信号小。传送一个小信号对改善信噪比不利，所以只传输R-Y、B-Y两个色差信号。它们与基色信号的关系为： R-Y = R-(0.30R+0.59G+0.11B) =0.7R-0.59G-0.11B (2-2) B-Y = B-(0.30R+0.59G+0.11B) =-0.30R-0.59G+0.89B (2-3) 发送端传输亮度信号Y、色差信号R-Y、B-Y,在接收端按下式恢复出色差信号G-Y为 G-Y = -[0.30（R-Y）+ 0.11（B-Y）]/0.59 = -0.51（R-Y）- 0.19（B-Y） （2-4） 然后，再由3个色差信号加上亮度信号Y得到三个基色信号，完成图象的传送。经过调制的色差信号就是色度信号。 2.2 标准彩条信号 标准彩条信号是一种常用的测试信号，用来对电视系统的传输特性进行测试和调整。而且彩条信号发生器也是一种十分重要可广泛用作视频通道检测的信号源。 标准彩条的图形和信号波形如图2-2所示。图（a）为标准彩条图象，从左到右依次是白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑，共8条等宽的垂直条。图（b）、（c）、（d）分别为彩条所对应的红、绿、蓝三个基色信号的波形，其信号幅度非零即1。彩条所对应的亮度信号电平可根据式（2-1）计算，它是图（e）的8个亮度阶梯波，其中白条所对应的亮度电平最高为1；黑条所对应的亮度电平为零。在黑白监视器上观察到的亮度从左到右递减的垂直条图形。按式（2-2）、（2-3）计算出8个彩条所对应是色差信号R0-Y0、B0-Y0波形分别如图（f）、（g）所示。 由于基色信号非零即1，因此彩条中所对应的彩色全为饱和色，是100%的饱和度。

图2－2 标准彩条信号波形图 第三章 单片机 单片微型计算机，也称单片机，是微型计算机的一个重要领域。它是一种不需要人工直接干预，能够对各种数字信息进行算术和逻辑运算的快速电子设备。它体积小、功能强、功耗低、可靠性和性价比高的特点，在过程控制、机电一体化产品、智能仪器、家用电器、计算机网络及通讯等方面得到了广泛应用。本设计采用ATMEL公司的89C2051单片机，是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

3.1 8051单片机的基本组成

图3－1 8051的基本组成 8051单片机的基本组成如图3-1所示。它由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。