彩色全电视信号解码及重要信号的频谱分析Word文档格式.docx

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1.1解码过程4

1.1.1色度信号的压缩6

1.1.2逐行倒相6

1.1.3PAL制对相位失真的补偿原理6

1.1.4逐行倒相正交同步（PAL制）解调原理7

1.1.5色同步信号8

1.2PAL制的主要优点12

1.2.1对相位失真不敏感12

1.2.2多径接收影响较小13

1.2.3梳状滤波器减少亮度信号对彩色的干扰13

1.3PAL制的主要缺点13

1.3.1有行顺序效应13

1.3.2PAL制设备比NTSC制复杂13

1.3.3彩色清晰度比NTSC制低13

2解码过程中重要信号的频谱分析13

参考文献18

致谢19

引言

三基色通过经过编码最终产生了我们所熟知的彩色全电视信号，经过传输信道最终传输到接收端。

此时接收端需要将其解码并恢复其三基色数据，这个过程就是解码过程。

解码过程是编码过程的逆过程，彩色电视接收机在接收到电视信号后，先经高频调谐器放大及变频，形成中频图像及伴音信号，中频图像信号又经图像中频通道进行处理，然后从视频检波器输出彩色全电视信号（FBAS），最后再将彩色全电视信号（FBAS）送往彩色解码器。

把彩色全电视信号还原成三基色电信号的过程称为解码，解码是编码的逆过程。

在彩色电视机的解码器中彩色全电视信号经过五步信号处理还原成三基色信号，

为了使我们进一步认识彩色全电视信号的编码与解码的全过程过程以及重要信号的频谱，我们特此进行了此次实验来强化对其过程的理解。

1彩色全电视信号的解码过程及关键信号的分解

1.1解码过程

先将彩色全电视机信号送入亮色分离电路,将色度信号C和亮度信号Y分离出来.亮度信号通过一个亮度延时线最后再送到矩阵电路,延时线的作用是为了使亮度信号和色度信号在时间上取得一致,因为色度信号在通过色通导处理后必然会引起附加延时.

色度信号经过两路,一路是通过一个“色同步消隐”电路将色同步信号去掉后加到延时解调器中分离出两个已调色差信号V和U,然后双双送到各自的“同步解调器””中（同步解调器的原理与视频检波一文所说到的同步检波电路一样）解调出B-Y和R-Y信号,然后再送到矩阵电路中,另一路经过一个“色同步选通”电路将色同步信号取出来,送到“鉴相器”中和色副载波产生送来的信号进行鉴相比较,取出误差电压加至色副载波发生器从而保证副载波和发送端同步,另外,利用同步信号的摇摆性（相位按半行频周期作180°

变化）在鉴相器中产生一个半行频识别信号加到PAL开关对送入PAL开关的副载波相位进行翻转（相对于收送端而言）.再送到R-Y同步解调器,解调出R-Y信号,另外色副载发生器输出另一路到B-Y同步解调器解调出B-Y信号.最后Y信号,B-Y信号,R-Y信号均送入矩阵电路进行一系列的加减运算使之解调出三基色信号.矩阵电路作如下运算:

R-Y-Y=R 

B-Y-Y=B 

-0.51（R-Y）-0.19（B-Y）+Y=G。

解码电路如下：

解码电路图

频谱分析图

FBAS

1.1.1色度信号的压缩

为了实现兼容,在彩色电视制式中规定,负极性亮度信号仍以扫描同步电平最高,若以它为100%,则黑色电平即消隐电平为76%,白色电平为20%。

由于彩色全电视信号是由色度信号与黑白全电视信号相加而成,如果不经任何处理,则叠加后的结果使得色度信号的动态范围超出了黑白电平的范围。

当色度信号超过白电平时,将对发射机中的调制器产生过调失真;

当色度信号高于同步电平时,色度信号将会被切割出来破坏接收机的同步。

为此,我们规定,色度叠加在亮度电平的最高值,应比同步电平低5.5%,色度信号的最低电平应在零以上,规定高于1.5%,即把色度信号压缩到白黑电平范围的±

33%。

按上述条件,我们很容易计算出被压缩了的蓝色差信号和红色差信号,分别用U和V表示为

U=0.493（B-Y）

V=0.877（R-Y）

用压缩后的U、V信号去调制两个互相正交的副载波,便得到两个已调色度分量:

FU色度分量与FU色度分量,即

FU=UsinωSCt

FV=VcosωSCt

将它们相加便获得色度信号,其数学表达式为:

F=FU+FV

其中:

φ=arctgωSC为副载波频率。

其矢量式为：

F=U+V

1.1.2逐行倒相

PAL制是在NTSC制的基础上加一个逐行倒相的改进措施,所以称为逐行倒相正交平衡调幅制。

所谓逐行倒相,是将色度信号中的一个分量,即第二分量FV逐行倒相。

1.1.3PAL制对相位失真的补偿原理

传输系统各单元的线性相位失真,在多山地区或高层建筑物附近信号传播过程发生多经相位干扰,接收机中副载波恢复电路的相位误差等等。

采用逐行倒相的结果都能使这些相位误差互补抵消,现以微分相位失真的改善来说明逐行倒相克服相位失真原理。

所谓微分相位失真,是管子在大信号工作状态下出现的非线性失真。

它的特点与信号电平有关,因为在大信号工作状态下,容易进入管子特性曲线的非线性部分,将使频率相同的信号因电平不同产生不同的相移,这种取决于特性曲线的非线性的相位失真,就称为微分相位失真。

PAL制梳状滤波器解码原理

在PAL制解码器中，采用超声波延时线作梳状滤波器，将红、蓝色差信号从色度信号F中分离

其解调分离原理如下：

设第n（NTSC行）行色度信号为

Fn=Usinωsct+Vcosωsct

由于V信号逐行倒相，所以第n-1（PAL行）行色度信号为

Fn-1=Usinωsct－Vcosωsct

这样，Fn-1信号经过延时器延时63.943μS（约64μS）再反相后正好和Fn信号同时到达；

加法器和减法器中，经相加减可：

Fn+（－Fn-1）=2Usinωsct=2FV

Fn－（－Fn-1）=2Vcosωsct=2FU

同理：

Fn+1+（－Fn）=－2Usinωsct=－2FV

Fn+1－（－Fn）=2Vsinωsct=2FU

可见，从减法器输出FU色度分量，从加法器输出逐行倒相的FV色度分量，从而完成了色度信号F（t）中两分量FU、FV的的分离。

由于利用超声波玻璃延时线来实现红、蓝两色差分量的分离，因此称作延时解调器。

又由于延时解调器的幅频特性是梳状的，又称作梳状滤波器。

1.1.4逐行倒相正交同步（PAL制）解调原理

前面梳状滤波器已将F色度信号分离成两个色度分量FU与±

FV，现利用同步解调器将它们还原红色差信号和蓝色差信号。

其原理与正交同步解调器方案类似，但这里要注意的是红色差同步解调器输入信号是逐行倒相的，无论是PAL行还是NTSC行，解调器输出的均为正极性的红色差信号R-Y，因此该同步解调器的插入副载波的倒相次序（或正反相序）应该与输入的±

FV分量一一对应，否则将会引起很大的色调失真。

其解调原理如下：

在NTSC行，红色差同步解调器输出的的频率成分为：

k1Vcosωsctcosωsct=（k1V／2）+（1/2k1Vcos2ωsct）

经低通滤波器滤除2ωsc的高频成分后，便得到输出信号为k1V／2，其中k1是该解调器的传输系数，只要适当调整k1大小便可获得R-Y信号输出。

但如果副载波相位正好相反，则在NTSC行时，红色差同步解调器输出端的成分虽未改变，但经滤波后将得到的是负极性红色差信号－（R-Y），造成电视机矩阵电路所恢复的三基色信号全变了，当然重南彩色图像的色调也全不对了。

1.1.5色同步信号

由于色度信号的U分量和V分量采用平衡调幅方式，在显像端需要对其进行同步解调，这就要求显像端必须能够再生出色付载波。

为此，需要在电视信号中安插色同步信号，以供接收机恢复色付载波用。

另外，在接收端完成对相邻两行色度信号的叠加后，要对色度信号的V分量进行逐行倒相还原，这就要求接收端能够识别N行和P行。

为此，在色同步信号中，还要传送逐行倒相信息，即N行和P行的识别信息。

。

色同步信号也称为色同步脉冲，其幅度与行同步的幅度相同，在时间上与行同步脉冲相差5.6&

micro;

S，持续时间为2.25&

S，大约为10±

1个付载波周期。

色同步脉冲的频率即为色付载波频率，而色同步脉冲的相位在N行时，P（t）=+1，φN=135&

ordm;

；

在P行时，P（t）=–1，φP=+225&

，或者说φP=–135&

，平均相位180&

色同步信号就是通过相位的逐行交变来传送逐行倒相的识别信息的。

色同步信号的电平进入了同步电平范围，这是否会影响电视机中的同步分离呢？

——由于同步分离电路是低频电路，对4.43MHz的色同步信号具有滤除作用，故不会造成影响。

在场逆程期的前后均衡脉冲、场同步脉冲期间的九行时间里没有安插色同步脉冲。

接收端通过一个电子开关从电视信号中分离出色同步，电子开关受控制脉冲的控制，在色同步期间电子开关接通，其余时间断开。

控制脉冲可通过将来自同步分离电路的行同步脉冲延时5.6&

S得到。

接收端从电子开关的输出得到间歇性的色同步脉冲后，通过锁相环电路可得到时间上连续的色付载波。

同时，通过锁相环电路还可得到识别脉冲，因此，可得到另一路正交的、但是逐行倒相的色付载波。

该两路色付载波用于色度信号的同步解调。

同时，在V解调器中完成色度信号V分量的逐行倒相还原。

具体解码过程分析如下：

解码第一步:

从预视放输出的彩色全电视信号FBAS,经4.43MHz陷波器和色度带通滤波器进行频谱分析,将FBAS分离成亮度信号和色度信号两部分其波形图如下.

Y，F

在亮度信号通道中,经4.43MHz的陷波器,将彩色全电视信号中的色度信号滤除,保留亮度信号.滤除了色度信号之后的亮度信号Y,经0.6μs的延迟电路延时后再送入Y信号放大器进行亮度放大后送基色矩阵电路.

在色度通道前,设置有一中心频率为4.43MHz,带宽约2.6MHz的带通滤波器,它从彩色全电视信号中分离出色度信号.

解码第二步:

PAL的特殊电路是梳状滤波器.为使它能够有效的分离两个色度分量,延时线的延时时间要有准确的数值.延时线延迟时间τd应选择得既非常接近行周期（64μs），以便相加、减时是相邻行相应像素间的加或减；

而又必须为副载波半周期的整数倍，以保证延时前、后色度信号副载波相位相同（0°

）或相反（180°

）。

由fSC=283.75fH+25Hz的关系，则行周期TH与副载波TSC之间的关系为：

τd可选为副载波半周期TSC/2的567倍或568倍。

通常为567,τd略小于行周期,若为568则略大于行周期

梳状滤波器：

作用是将色度信号分离出两个色差分量FU、FV，组成包括一行延时线、加法器和减法器。

传统的色度延时电路采用64μs超声波玻璃延时线，其原理是利用输入、输出换能器实现电—超声波—电信号间的转换。

在梳状滤波器中，延时线的精确延时时间为63.943μs，延时后的信号与直通信号在加法器和减法器中运算，完成色度分量的分离任务。

设输入到梳状滤波器的第n行色度信号为

F（n）=UsinωSCt+VcosωSCt=FU+FV（2―35）

则第n+1行色度信号必然为

Fn+1=UsinωSCt-VcosωSCt=FU-FV（2―36）

根据τd的选择知,延时前与延时后的副载波相位相反,若以F′n-1、F′n分别表示经延时后的相应行的色度信号,则

F′n-1=-Fn-1=-（UsinωSCt-VcosωSCt）=-FU+FV（2―37）

F′n=-Fn=-（UsinωSCt+VcosωSCt）=-FU-FV（2―38）

由此可以求得,第n行输入时,相加电路输出为

Fn+F′n-1=（FU+FV）+（-FU+FV）=2FV（2―39）

相减电路的输出为

Fn-F′n-1=（FU+FV）-（-FU+FV）=2FU（2―40）

同理,在第n+1行输入时,相加电路和相减电路分别输出为:

Fn+1+F′n=-2FV（2―41）

Fn+1-F′n=2FU（2―42）

依次类推。

由式（2―39）~式（2―42）明显地看出,梳状滤波器有效地分离了两个色度分量FU与±

FV。

Fu，±

Fv，

解码第三步:

色差信号的同步解调

梳状滤波器输出的±

FV信号经V同步解调器，输出V信号；

梳状滤波器输出的FU信号经U同步解调器，输出U信号。

波形图如下:

U，V

U,V信号经放大电路和矩阵电路输出三个色差信号（R-Y）,（B-Y）,（G-Y）如图所示.同步解调必须有一个恢复的副载波,这个基准副载波要与发端的副载波同频同相.

R-Y，B-YG-Y

解码第四步:

频率相同但时域错开的色度与色同步信号,经色同步选通电路,将色同步信号与色度信号分开.其波形图如下:

（频率相同但时域错开的色度及色同步信号，经色同步选通电路，将色同步信号与色度信号分开。

由于色度信号在行扫描正程色同步信号在行扫描逆程出现，故只要用两个门电路，就可将二者按时间分离法进行分离。

这两个门电路在控制脉冲控制下交替导通即可实现两种信号的分离）

F，Fb

解码第五步:

亮度通道输出的Y信号和色度通道输出的U、V信号同时输入基色矩阵电路,经基色矩阵电路分解,输出R、G、B三基色信号。

Y，R，G，B

解码第六步;

色同步信号与副载波压控振荡器输出的信号同时送鉴相电路,二者进行相位比较后,输出一个与之相差成正比的直流控制电压,由它再去控制压控振荡器,使其输出副载波频率和相位与发射端相同。

所恢复出的副载波，一路直接送U同步检波器，另一路先经PAL开关逐行倒相、再经90°

移相送V同步检波器。

半行频的7.8kHz开关信号亦由鉴相电路取得，经PAL识别电路后去控制PAL开关。

1.2PAL制的主要优点

1.2.1对相位失真不敏感

传输系统的非线性失真是不可避免的，特别是在传输过程中会产生微分相位失真，引起色调畸变。

PAL制逐行倒相使相邻两行产生的色调畸变互相抵消，利用梳状滤波器的平均作用，微分相位失真不再对色调产生明显的影响，只是饱和度有变化，而人眼对饱和度变化并不敏感。

1.2.2多径接收影响较小

多径接收是指接收机天线收到的信号中既有发射台发射的直射波信号，还有多个反射波信号。

反射波信号使图像产生重影。

在多山地区和高楼集中的城市，重影情况是很严重的，而PAL制对接收质量会稍有改善。

1.2.3梳状滤波器减少亮度信号对彩色的干扰

梳状滤波器的幅频特性可使亮度窜色的幅度下降3dB，彩色信噪比提高3dB。

1.3PAL制的主要缺点

1.3.1有行顺序效应

由于PAL制色度信号是逐行倒相的，因此梳状滤波器中的相位延时误差极易引起大面积行蠕动现象。

传输通道的相位误差、通带不对称、梳状滤波器中的群延时误差也会引起边缘行蠕动现象。

当传输系统存在相位误差时，在高饱和度的水平彩色边界上还会出现半帧频闪烁现象。

1.3.2PAL制设备比NTSC制复杂

由于色度分量FV逐行倒相，色同步信号要兼送识别信息，副载波1/4行频间置25Hz偏置等原因，PAL制编码、解码器都比NTSC制复杂，PAL接收机也比NTSC制复杂，价格也要高一些。

1.3.3彩色清晰度比NTSC制低

PAL制接收机中采取两行色度信号电平平均，当相邻两行色度信号内容有差别时，平均的结果必然导致两行各自模糊，垂直清晰度下降。

2解码过程中重要信号的频谱分析

下面进行频谱分析。

FBAS彩色全电视信号

所谓频谱，就是电信号的能量按照频率分布的曲线。

彩色全电视信号，应是它所包含的主体信号（图像信号）与辅助信号的频谱之和。

下图分析表明，图像信号的频谱在0~6MHz的范围呢，其频谱是不连续的，属离散形，形状像梳齿，故也叫它梳状频谱，各谱线之间有很大的间隙。

它具有以下特征：

（1）以行频及其谐波为中心，组成梳齿状的离散频谱；

（2）随着行频谐波次数的增高，谱线幅度逐渐减小。

这说明其主要能量分布在视频信号的低频端；

（3）实践证明，无论是静止或活动图像，围绕着谱线分布的场频谐波次数不大于20.按其等于20计算，各谱线群所占频谱宽度仅为20×

20×

50=2kHz，相邻两主谱线间距为15.625kHz，可见各群谱线间存在着很大的空隙。

此外，由于各辅助信号均为周期性脉冲信号，其频谱与脉冲宽度有关。

各辅助信号都是小于6MHz的离散谱。

与亮度信号类似，色度信号也是由逐行和逐场扫描得到的，因而其频谱也是离散的，也是由一群群的谱线构成梳齿状结构，能量主要集中在行频及其谐波附近，群谱线的间距为行频fH。

但这里是经过频谱交错原理处理后的色度信号。

将色度信号调制在副载波fsc上，即进行色度信号的频谱转移，从而使调制后的色度信号谱线正好安插在亮度信号谱线的间隙内，达到压缩频带的目的，此时，亮度信号与色度信号二者的谱线是互相交错的。

具体如下:

色度信号FV分量逐行倒相后，色度信号的频谱结构发生了变化。

其中，FU分量与倒相无关，它的主谱线位置未变。

色度信号±

FV分量的主谱线由于实施了逐行倒相，位置发生了变化。

因为逐行倒相的过程实质上是半行频方波控制平衡调幅的过程，因此可以将远行倒相的副载波看成是半行频方波对cosωSCt进行平衡调幅。

式中：

m=0，1，2，3，…；

Ω1＝2πfH/2=ωH/2为开关函数基波的角频率（ωH为行扫描角频率）。

由此可求得逐行倒相副载波的各频率分量为

m=0所对应的谱线（最低边频），距离副载频的间隔为fH/2；

而U分量（FU）对副载波直接进行平衡调幅，最低边频距离副载频的间隔为fH，所以，FV与FU的谱线刚好错开fH/2.如下图.

F色度信号PAL色度信号频谱

（a）FU分量频谱;

（b）±

FV分量频谱;

（c）色度信号F的频谱

Y亮度信号100%幅度,100%饱和度彩条信号

（1）彩条图像;

（2）三基色电压;

（3）亮度信号;

Fv平衡调幅信号梳状滤波器方框图

及分离的波形、频谱;

Y1ScopeData1ScopeData2

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。