制编码原理

课程设计说明书 第II 页 目 录

1绪论 . ................................................................................................................................ 1

1.1课题描述 . ............................................................................................................. 1

1.2PAL 彩色电视机的组成原理和基本框图 . .......................................................... 1

2彩色电视机三大制式特点 . ............................................................................................ 2

2.1NTSC 制的特点 . ................................................................................................... 2

2.2SECAM 制特点 .................................................................................................... 3

2.3PAL 制及其特点 . .................................................................................................. 3

3PAL 制原理 . ..................................................................................................................... 4

4PAL 制编码原理 . ............................................................................................................. 5

4.1逐行倒相 . ............................................................................................................. 5

4.2PAL 调制原理 . ...................................................................................................... 6

4.3 PAL制频谱间置原理 . ......................................................................................... 7

5PAL 解码原理 . ................................................................................................................. 8

5.1色同步信号和色度信号的分离 . ......................................................................... 9

5.2色度信号的两个分量F U 、F V 的分离 .................................................................. 9

5.3同步检波将F U 、F V 分量解调为U 、V 信号 ...................................................... 10

5.4解码矩阵将Y 、U 、V 信号还原为三基色信号 . ............................................... 11

6梳状滤波器解码原理 . .................................................................................................. 11

总结 . ................................................................................................................................. 15

致谢 . ................................................................................................................................. 16

参考文献 . ......................................................................................................................... 17

1绪论

1.1课题描述

目前，有三种兼容制彩电制式，即NTSC 制、PAL 制和SECAM 制。实用中的广播电视都采用黑白与彩色电视可以互收的“兼容”方式，即所谓兼容制。兼容制再发端对三基色信号进行编码，从而获得一个黑与白的电视信号相类似的亮度信号，同时还得到一个包含色度信息的色差信号。收端经过解码后又可以恢复出原三基色信号，从而完成彩色电视信号的传输，正式上述的亮度信号解决了黑白与彩色电视的兼容问题。PAL 是PhaseAlternationLine (逐行倒相) 的缩写。它是对色度信号采用正交平衡调幅的基础上, 使其中一个色度分量(FV 分量) 逐行倒相。其基本出发点就是在发送端周期性地改变彩色相序，而在接收端采用平均措施。就可以减轻传输相位差带来的影响。目前这一制式在世界上采用的国家和地区最多。本课题将通过结合彩色电视信号分析彩色电视制式中我国采用的PAL 制的编码器和解码器。典型的PAL －D 彩色电视机电路主要由公共通道、伴音通道、解码电路、图像重显电路、控制电路和电源电路等部分组成。 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。

1.2PAL 彩色电视机的组成原理和基本框图

PAL 彩色电视机主要有公共通道、伴音通道、解码电路、图像重显、电源电路等部分组成。整体方框图如图1所示。

伴音信号的分离方法及处理与黑白电视机相同。图像信号各种成分的分离, 首先是利用频率分离的方法, 将视频低端的亮度信号、复合同步信号与高端的色度信号、色同步信号分开然后用幅度分离的方法, 将复合同步信号和亮度信号分开, 用时间分离的方法, 将色度信号和色同步信号分开最后, 再用频率和相位双重分离的方法, 将色度信号中的两个正交分量U 、V 信号分开, 信号处理的过程要比黑白电视机复杂, 因此, 系统组成的方框图也有所不同。

图1PAL 彩色电视机的基本框图

伴音信号采用调频方式, 与图像信号在频域上是分开的, 经6.5MHz 的带通滤波器取出伴音信号, 再通过伴音中放、鉴频及功放至扬声器, 还原成声音。同时, 为防止伴音干扰图像, 采用6.5 MHz的陷波器, 将伴音信号去除得到彩色全电视信号。

亮度通道主要由4.43MHz 陷波器、轮廓校正、黑色电平箝位、亮度延时和视频放大等电路组成。它的任务是将亮度信号Y 从彩色全电视信号中分离出来, 经过放大和处理后, 与色度通道解调出的色差信号R-Y 、B-Y 一起送给解码矩阵电路, 以求出基色信号R 、G 、B , 分别激励彩色显像管的相应阴极而实现彩色的重现。

2彩色电视机三大制式特点

2. 1NTSC 制的特点

NTSC 制于1953年在美国开始广播, 是较早应用于彩色、黑白兼容的彩色电视制式。为了压缩频带, 又能获得良好的图像质量,NTSC 制有如下的特点：

(1)NTSC制采用的频带宽度为4MHz, 扫描行数为525行, 扫描场数为60场, 可以与原黑白电视相兼容。

(2)根据人眼的视觉对亮度细节较敏感, 对彩色细节不敏感的特性,

将亮度信号以宽频

带传送(0～4MHz), 以窄带传送(0～1.5MHz) 色度信号。

(3)采用频谱间置技术, 副载频选为

f SC =3.579545MHz

(4)选用Y 、I 、Q 作为传输信号, 其中Y 仍为亮度信号,I 、Q 为色差信号, 它是色差信号(R-Y)和(B-Y)的一种线性组合。它们之间的关系由下式确定:

I=0.877(R-Y)cos33°-0.493(B-Y)sin33°

Q=0.877(R-Y)sin33°+0.493(B-Y)cos33°

2.2SECAM 制特点

SECAM 制是为了克服NTSC 制相位失真的缺点而由法国人研制出来的。主要特点如下：

(1)在SECAM 制中, 传输信号仍采用亮度信号Y , 色差信号(R-Y)和(B-Y),但两色差信号不是和亮度信号同时传送的, 而是将两个色差信号(R-Y)和(B-Y)逐行轮换对两个副载波(f1=4.025MHz,f2=4.40625MHz)进行调频后, 并叠加在逐行传送的亮度信号上一起传送的。也就是说, 在第n 行时传送(R-Y)调频信号, 第n+1行时传送(B-Y)调频信号, 而亮度信号则是每一行都传送, 在任一行时间内,SECAM 制信号中, 只存在一个亮度信号和某一个色差信号。所以不会发生互相串色的现象。

(2)在SECAM 制中, 由于色差信号对彩色副载波采用了调频方式, 并且调频信号在进行频率检波之前, 可以进行限幅, 所以, 色度信号对相位失真不敏感。

(3)在SECAM 制中, 色度信号采用了调频制, 由于调频为连续频谱, 故不能采用副载频偏置以实现色度信号和亮度信号的频谱交错, 因而其兼容性比NTSC 制和PAL 制稍差一些。

2.3PAL 制及其特点

PAL 制也是为了克服NTSC 制相位敏感性于1962年在原西德研制出来的一种兼容彩色电视制式, 实际上它是NTSC 制的一种改进。这种制式将在下节详细叙述。其特点如下：

(1)采用色差信号(R-Y)和(B-Y)作为色度信号的两个分量, 都用0～1.5MHz 的带宽, 双边带方式传送。

(2)传送时, 将两个色差信号之一的(R-Y)信号逐行倒相180°, 接收后再将(R-Y)信号

相位复原。由于将(R-Y)信号逐行倒相180°进行传送，则在相邻行上的相位误差可以相互补偿, 当出现微分相位失真时，可以保持色调不变。

3PAL 制原理

PAL 制于60年代初期联邦德国研制成功，我国也采用PAL 制。所以按照其特点PAL 制又可称之为“逐行倒相正交平衡调幅”制。

平衡调幅又称为抑制载波调幅，抑制载波调幅可以抑制色度信号对亮度信号的干扰并节省发射功率。

设用色差信号U R -Y =(R-Y)coswt对载波u SC =USC cosωSC t 进行调幅，则调幅后信号的数学表达式为：

m m u AM =U SC [COS ωSC t +COS (ωSC -ω) t +

COS (ωSC +ω) t ]22

平衡调幅波有如下特点：

(1)平衡调幅波不含载波分量。

(2)平衡调幅波的极性由调制信号和载波的极性共同决定，如两者之一反相，平衡调幅波的极性反相；色差信号(调制信号) 通过0值点时，平衡调幅波极性反相180°。

(3)平衡调幅波的振幅只与调制信号的振幅成正比，与载波振幅无关。传送图像的色差信号为零时，平衡调幅波的值也为零，这样可以节省发射功率，减少了色度信号对亮度信号的干扰。

图2（a ）是正交平衡调幅器方框图，由两个平衡调幅器、一个副载波90°移相器和一个线性相加器组成。

图 2正交平衡调幅器方框图

色度信号的振幅和相角之中包含了彩色图像的全部色度信息，振幅Fm 取决于色差

信号的幅值，决定了所传送彩色的饱和度；而相角φ取决于色差信号的相对比值，决定了彩色的色调。也就是说，色度信号是一个既调幅又调相的波形，其幅值传送了图像的色饱和度其相位传送了图像的色调。图2(b)画出了色度信号的矢量图，图中对角线的长度代表色度信号的幅值，而φ是F 的相角. 将色度信号F 和亮度信号Y 以及同步、消隐等信号混合，就得到了彩色全电视信号。

4PAL 制编码原理

4.1逐行倒相

PAL 制基本上采用了NTSC 制的各项技术措施，并增加了一些技术措施来克服NTSC 制中对相位失真较敏感的缺点。它采用色差信号R-Y 和B-Y 来组成色度信号。这两个色差信号均只占用0～1.3MHz ，且幅度按百分比进行了一定的压缩（具体原因后详），从而形成U 信号和V 信号，即

U=0.493(B-Y)

V=0.877(R-Y)

用压缩后的U 、V 信号去调制副载波，这样色度信号为F=UsinωSC t ＋Vcos ωSC t=FU ＋F V 在PAL 制中，发送端将已调红色差信号F V =VcosωSC t 逐行倒相。例如，传送前一行时为Vcos ωSC t(称为NTSC 行) ，而传送下一行则变为-Vcos ωSC t(称为PAL 行) 。当扫描顺序为第n 行时，F V =VcosωSC t ，当扫描顺序为n+1行时，F V =Vcos(ωSC +180°) ，即当第n 行F V 相位为90°，则第n ＋1行为270°(或-90°) ，第n ＋2行的相位又回到90°, 如此反复进行。而矢量F U 的相位是不随扫描行序改变的，始终为F U =UsinωSC t 。因此，相加后色度信号F 的相位也是逐行改变的，其数学表达式为：

F =U sin ωsc t ±V cos ωsc t

=U sin ωsc t +Φk (t ) V cos ωsc t

=F sin[ωsc t +ϕ(t )]

F =2+V 2

V

U ϕ(t ) =Φk (t )

图3(a)逐行倒相矢量图；(b)开关函数波形图

Φk(t)称为开关函数，为半行频方波，幅值为±1，反映了逐行倒相的变化。显然，对于任一色度信号，F n 与F n ＋1矢量以水平轴U 镜像对称。其矢量图和Φk(t)波形图如图3所示。

4.2PAL 调制原理

PAL 编码器的任务是将摄像机摄取的三个基色信号R ′、G ′、B ′编制成彩色全电视信号。

PAL 制编码器的组成框图如图4所示, 与NTSC 制编码器相比, 只多了一个PAL 开关, 它把加于V 平衡调制器的副载波逐行倒相, 其开关电压由Φk(t)脉冲来控制。

图4 PAL制编码调制原理框图

编码器的主要工作过程如下：

(1)将R 、G 、B 三个基色信号通过矩阵电路, 变换成亮度信号Y 和色差信号U 、V 。

(2)U和V 信号通过低通滤波器, 只保留1.3MHz 以下的低频信号。

(3)把带宽限制后的U 、V 信号送入U 和V 平衡调制器, 对零相位的副载波和±90度相位的副载波进行平衡调幅, 分别输出F U 和±F V 色度分量。

(4)为了使亮度信号对色度信号的干扰在电视上看不出来, 所以, 在亮度通道中设有一个中心频率为色副载波频率的陷波器。由于色差信号通过低通滤波器后, 一定会引起附加延时, 为了使亮度信号和色度信号在时间上一致, 须将亮度信号加以适当延时, 延时量约为0.6μs。

(5)将F U 、±F V 两个色度分量与亮度信号Y 在线性相加器中叠加, 其输出便是彩色全电视信号。

4.3PAL 制频谱间置原理

Y

Y Y Y Y (a)f H

(b)H H S H H

(b)

图 5（a ）半行频间置的频谱；(b)1/4行频间置的频谱

在PAL 制中，由于V 信号逐行倒相，使其频谱分布发生了变化，与不倒相的U 信号相比有了差别，使U 信号的频谱与V 信号的频谱相互错开f H /2。如果仍像NTSC 制一样，副载频仍选择为半行频的奇数倍，虽能使Y 信号与U 信号频谱相互错开f H /2，但却使得Y 信号和V 信号的频谱相互重合，导致兼容性差，如图5(a)所示。为了直观, 将V 与Y 重叠处用虚线表示。

为了使Y 信号、U 信号和V 信号的频谱彼此都能错开，而且相互干扰最小，最好的办法是将Y 信号谱线插到U 信号和V 信号谱线的中间位置，如图5(b)所示。为此，PAL 制采用1/4行频间置，其副载波频率为

11f SC =(n -) f H =(284-) f H 44

实际上，为了减小副载波对亮度信号的干扰，改善兼容性，PAL 制副载频还附加了25Hz ，称为半场频间置，即选择f ′SC =283.75fH ＋25Hz=4.43361875MHz这是由于在采用了1/4行频间置后，PAL 制比NTSC 制半行频间置的副载波干扰严重，为此，PAL 制对副载波又提出了场间交错的方法以减小副载波干扰的方法。所谓场间交错，就是让副载波逐场倒相，使相邻两场的干扰方向相反，从而使相邻两场干扰互相抵消。但这种方法要求接收机增加副载波倒相电路，从而造成接收机电路更复杂，因此，一般不采用副载波逐场倒相方式。目前均采用增加25Hz 偏置的简单方法来实现场间交错的效果，即让副载频增加25Hz ，以便自动实现副载波的逐场倒相。由此可见，PAL 制对副载波频率的精度要求是非常高的，允许误差一般仅为±1～±5Hz 。

5PAL 解码原理

解码是编码的逆过程, 它把彩色全电视信号还原成三基色信号原理框图如图6所示。PAL 解码器有各种类型, 我们以目前广泛应用的PALD 又称为延时线型PAL 解码器为例, 说明其工作原理。

图 6解码器原理框图

主要工作过程如下：

(1)首先通过频率分离, 把彩色全电视信号分离为亮度信号和色度信号。用一个陷波器, 其陷波频率为色副载频, 从彩色全电视信号中滤去色度信号, 得到亮度信号。用一个带通滤波器, 其通频带的中心频率也为色副载波, 并具有色度信号占有的带宽, 从彩色全电视信号中选出色度信号。

(2)色度信号经延时解调器, 也称梳状滤波器分离出两个色度分量F U 和±F V , 其工作原理将在下节详细介绍。

(3)为了从色度分量F U 和±F V 中解调出两个色差信号, 要各用一个同步解调器, 同步解调原理前已叙述, 不过, 这里要注意的是红色差信号同步解调器输入信号是逐行倒相的, 无论是PAL 行还是NTSC 行, 解调器输出均为正极性红色差信号(R-Y),因此该同步解调器的插入副载波的倒相次序应与输入的±F V 分量一一对应, 否则, 将会产生很大的色调失真。

(4)将亮度信号Y 和两个色差信号(R-Y)、(B-Y)送入矩阵电路, 还原成三个基色信号R 、G 、B, 送至彩色显像管。

5.1色同步信号和色度信号的分离

可以用时间分离法分开色同步信号和色度信号。行同步脉冲前沿延迟5.6μs 产生宽度为2.26μs 的门控脉冲，在时间上正好对齐色同步信号；用两个门电路在门控脉冲控制下交替导通来实现时间分离, 如图7所示。门控脉冲无效时，色同步消隐门导通, 得到色度信号。门控脉冲有效时，色同步消隐门关断，以阻止色同步信号窜入色度信号；色同步选通门导通，选出色同步信号。

图7色同步信号与色度信号的分离

5.2色度信号的两个分量F U 、F V 的分离

色度信号的两个分量F U 、F V 是用频谱分离法分离的。由于F V 的逐行倒相，主谱线和F U 的主谱线正好错开半个行频，因此可以用梳状滤波器进行频率分离。

图 8 FU 与F V 的分离

梳状滤波器由一行延迟线、加法器和减法器组成，如图8所示。当色度信号加到梳状滤波器的输入端后，信号分成两路：一路直接送到加法器和减法器，称为直通信号；另一路通过延时线延迟63.943μs 后送到加法器和减法器，称为延时信号，延时信号比直通信号延迟283.5个副载波周期，相位滞后180°。当直通信号为NTSC 行时是F U +FV ，延时信号为PAL 行，是（-F U -F V ），负号是因相位滞后180°而加上的，加法器输出为2F V ，减法器输出为2F U 。当直通信号为PAL 行时，是F U -F V ，延时信号为NTSC 行，是（-F U +FV ），加法器输出为-2F V ，减法器输出为2F U 。所以色度信号一行一行地送到梳状滤波器的输入端，从加法器输出逐行倒相的F V 分量，从减法器输出F U 分量。可以证明加法器和减法器的输出幅频特性具有正弦全波整流的波形，在某些频率上信号全通过，在某些频率上信号被阻止，通过和被阻止的频率以半行频之差在频率轴上以梳齿状交错，如图7所示。这与PAL 制色度信号F U 、F V 分量的频谱相同，所以梳状滤波器能有效地将F U 、F V 信号分离。

5.3同步检波将F U 、F V 分量解调为U 、V 信号

F U 、F V 分量是平衡调幅波，不能用一般幅度检波器解调，只有在原载波的正峰点上对调幅波取样，再用平滑曲线连接各取样点才能得到原调制信号。由于发送端已将副载

波抑制，接收机中要利用色同步信号恢复副载波，当恢复副载波与发送端副载波同频同

相时，检波输出最大，称为同步检波。如图9同步检波原理框图，图9同步检波示意图。

图9同步检波示意图

5.4解码矩阵将Y 、U 、V 信号还原为三基色信号

解码矩阵首先将U 和V 信号去压缩，恢复为原色差信号R-Y 和B-Y ，然后将R-Y 和B-Y 组合得到G-Y ，最后将三个色差信号R-Y 、B-Y 、G-Y 和亮度信号Y 还原为三基色信号R 、G 、B 。解码矩阵的输入、输出波形如图10所示。

图10解码矩阵的输入、输出波形

6梳状滤波器解码原理

PAL 制克服因相位失真引起色调畸变的实质是用逐行倒相的方法使相邻两行色度信号的相位失真方向相反，解调中再将它们合成，从而得到相位不失真的色度矢量，消除了相位失真带来的色调失真，相位失真仅引起了饱和度下降，但色调末变。

相邻两行色度信号合成的方法一般有两种：一种简单的方法是利用人眼分辨力有限和视觉暂留特性，使屏幕上相邻两行的相位失真相互补偿，得到一种中间的无色调畸变的颜色。这种简单的PAL 制解调方法称为PALS ，在相位失真不大时，实现这一方法的电路简单，效果较好。但在相位失真较大时、图像会出现明暗相间并缓慢向上移动的水平条纹。这是由于行顺序效应引起的，此现象亦称为“爬行”或“百叶窗效应”(

由于

此现象很像百叶窗而得名) ，它会影响收看效果。另一种合成方法是延迟解调，用延迟线把前一行色度信号延迟大约一行的时间(约64μs) ，然后在合成电路中与本行色度信号合成，从而得到合成的色度信号。这种解码用到延迟线，故称延迟解码。

如图11梳状滤波器原理框图

图11梳状滤波器原理框图

在PALD 解码器中, 我们已经提到过梳状滤波器, 它是解码器中的核心部分, 主要功用是利用电视信号的行间相关性, 从色度信号中分离出红、蓝两色度分量。

梳状滤波器的原理框图如图11所示。由于利用超声玻璃延时线, 来实现红、蓝两色度分量的分离, 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, 故又称作梳状滤波器, 其解调分离原理叙述如下:

设第n 行的色度信号为

Fn=U sinωSC t+VcosωSC t

上一行的色度信号应为

Fn-1=UsinωSC t-Vcos ωSC

t

这样,Fn-1信号经过延时线延时63.943μs(约为4μs) 再反相后, 则

-Fn-1=-UsinωSC t+VcosωSC

t

经相减或相加可得

F n -(-Fn-1)=2UsinωSC t=2FU F n +(-Fn-1)=2VcosωSC t=2FV

同理:

F n+1-(-Fn )=2UsinωSC t=2FU F n-1+(-Fn )=-2VcosωSC t=-2F

V

可见, 从减法器和加法器分别输出色度分量F U 和逐行倒相的色度分量±F V , 且幅度都增加一倍。

如图12梳状滤波器实用电路

梳状滤波器主要由延迟线和相加电路、相减电路构成的，用以分离F U 和±F V 。一个实际的梳状滤波器电路如图12所示。其中V1为延时激励放大器，DL 为延迟线，T1为裂相变压器、L1为调谐电感，C2为耦合电容。色度信号F 经电容C1耦合加于V1基极，经放大后由集极输出，再经延迟线由A 点加至裂相变压器T1上端，取自Rw 的直通信号经C2耦合加至T1中点，这样可在输出端分别得到相加和相减输出。

梳状滤波器的幅频特性

梳状滤波器即延时解调器的幅频特性是指相加器或相减器的输出与其输入的比值，分别用k+(w)、k-(w)表示。为讨论方便，假设输入信号为单一频率的正弦信号，且令其幅值为1，并用指数形式表现为，用它作为直通信号，这个信号经过延时线后。

它们的幅频特性如图13所示。图中还画出了PAL 制全电视信号频谱图，由图可知：

F U 分

色

度信号F

SC

F V 分 SC

? êá³′?? 2¨?÷

SC

图13梳状滤波器幅频特性

(1)相加器和相减器都具有一种特殊的选频特性，它们的幅频特性的最大值与最小值

以半个行频之差在频率轴上交错排列，而PAL 制色度信号频谱的两个分量正好是半行频交错，所以，当频率为f H 的整数倍时，梳妆滤波器能将这两种色度分量彻底分离。

(2)当τ=τH时，相加器和相减器幅频特性的零点间隔为f H ，同时，相减器零点处在行频的整数倍nf H 上，恰好与亮度信号主频谱重合。

PAL 制解码器框图彩色全电视信号送入解码器后，一路送至亮度通道，将色度信号滤除掉，让亮度信号通过延时放大后送入解码矩阵电路。另一路送入色度通道，利用色带通选出色度信号分成两路，一路进入色同步选通放大器，选出三同步信号送入鉴相器及识别检波电路；另一路输出送至延时分离电路，把两个色度分量分离处理，分别送入U 、V 同步检波器。

在鉴相器中，色同步信号与色负载波压控振荡器送来的色负载波信号进行比较，鉴相器输出一个与两信号相位差成正比的控制电压，经过低通滤波器后变成直流控制电压去控制色负载波压控振荡器的频率和相位，使它与发送端同步。一路0度的色负载波进入U 同步检波器，对Fu 分量进行解调；另一路先经过90度的移相，再经过PAL 识别与倒相开关电路逐行倒相后，得到正负90度的色负载波送入V 同步检波器对Fv 分量进行解调。

U 、V 同步检波器输出的色差信号经放大器放大和去压缩后恢复了色差信号，送入解码矩阵电路。与亮度信号一起在解码矩阵电路变换为三基色信号完成解码。

总 结

通过

致 谢

本课题在

参考文献

[1]李海霞，电视机原理实验指导书[M].黄河科技学院，2008. [2]姜秀华. 现代电视机原理[M].高等教育出版社，2008.

[3]裴昌幸. 电视机原理与现代电视系统[M].西安. 西安电子科技大学出版社.1997. [4]李林和. 电视机原理与接收机[M].西安，西安电子科技大学，1994 [4]何希才. 新型开关电源设计与维修[M].北京，国防工业出版社. [5]俞斯乐, 等. 电视机原理[M].北京，国防工业出版社，2005. [6]张永辉, 电视机原理[M].北京，北京广播学院出版社，1992.

[7] 章文辉，王世平. 数字视频测量技术[M].北京，北京广播学院出版社，2004.