数字图像处理课堂小论文

电视信号中的频谱向量原理
NTSC 制式，又简称为N 制，是1952年12月由美国国家电视标准委员会（National Television System Committee ，缩写为NTSC ）制定的彩色电视广播标准，两大主要分支是NTSC-J 与NTSC-US （又名NTSC-U/C ）。

它属于同时制，每秒60/1.001场，扫描线为525，隔行扫描，水平分辨率相当于330，画面比例为4：3。

这种制式的色度信号调制包括了平衡调制和正交调制两种，解决了彩色黑白电视广播兼容问题，但存在相位容易失真、色彩不太稳定的缺点。

接下来针对如下四个方面从傅立叶变换、正交调制、电视信号及间置原理四点来解释说明：
1.γ、u 、v 信号的组成；
2.γ、u 、v 信号的频谱分布特点；
3.u 、v 信号的正交调制；
4.u 、v 正交信号的频谱搬移与γ信号重合。

一、傅立叶变换
一维：单变量连续函数f （x ）的傅立叶变换F （u ）定义为等式
⎰
∞
∞
--=
dx e
x f u F ux
j π2)()(
其中j=1- 。

相反，给定F （u ），通过傅立叶反变换可以获得f （x ），即
⎰∞
∞
-=
du
u F x f e
ux
j π2)
()(
则二维中，两个变量u 、v
⎰⎰
∞
∞
-∞
∞
-+-=
dxdy e y x f v u F vy ux j )
(2),(),(π
类似的，反变换
⎰⎰
∞
∞
-∞
∞
-+=
dudv e v u F y x f vy ux j )
(2),(),(π
若输入变为离散的，则(*M,N 分别为整数)
一维中：...3,2,1,0,)(1)(/21
==
--=∑
u e
x f M
u F M
ux j M x π
又θθθsin cos j e j +=
∑
-=-=
1
]/2sin /2)[cos (1)(M x M ux j M ux x f M
u F ππ
即)()(u u F u F ∆∆ x
M u ∆=
∆1
二维中：∑∑
-=-=+-=
101
)
//(2),(1),(M x N y N vy M ux j e
y x f M
v u F π
),(),(*
v u F v u F --=
空间域及频域抽样点 x
M u ∆=
∆1 y
N v ∆=
∆1
二、正交调制
正交幅度调制（QAM ，Quadrature Amplitude Modulation ）是一种在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式。

这两个载波通常是相位差为90度（π/2）的正弦波，因此被称作正交载波。

这种调制方式因此而得名。

同其它调制方式类似，QAM 通过载波某些参数的变化传输信息。

在QAM 中，数据信号由相互正交的两个载波的幅度变化表示。

模拟信号的相位调制和数字信号的PSK 可以被认为是幅度不变、仅有相位变化的特殊的正交幅度调制。

由此，模拟信号频率调制和数字信号FSK 也可以被认为是QAM 的特例，
因为它们本质上就是相位调制。

模拟信号QAM也有很多应用，例如NTSC和PAL制式的电视系统就利用正交的载波传输不同的颜色分量。

三、电视信号
1、复合电视信号
包含亮度信号、色差信号和所有定时信号的单一信号叫做复合电视信号(composite video signal)，或者称为全电视信号。

图07-03-6表示的是黑白全电视信号，而色差信号是通过彩色副载波调制之后和亮度信号混合得到，如图图07-03-7所示。

图07-03-6 一个行周期的黑白全电视信号
图07-03-7 彩色电视系统的水平消隐间隔
2、分量电视信号
分量电视信号(component video signal)是指每个基色分量作为独立的电视信号。

每个基色既可以用RGB表示，也可以用亮度-色差表示，如YIQ，YUV。

使用分量电视信号是表示颜色的最好方法，但需要比较宽的带宽和同步信号。

3、S-Video信号
分离电视信号S-Video(Separated video-VHS)是亮度和色差分离的一种电视信号，是分量模拟电视信号和复合模拟电视信号的一种折中方案。

使用S-Video有两个优点：
①减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰。

②不须要使用梳状滤波器来分离亮度信号和色差信号，这样可提高亮
度信号的带宽。

复合电视信号是把亮度信号和色差信号复合在一起，使用一条信号电缆线传输。

而S-Video信号则使用单独的两条信号电缆线，一条用于亮度信号，另一条用于色差信号，这两个信号称为Y/C信号。

S-Video使用4针连接器，如图07-03-8所示。

具体的规格如表07-03-3所示。

图07-03-8 S-Video连接器
表07-03-3 S-Video工业标准4针连接器规格
插座号信号信号电平阻抗
1 地(亮度) - -
2 地(色度) - -
3 亮度(包含同步信号) 1V 75 ohms
4 色度0.3V 7
5 ohms
需要注意的是，请不要把S-Video和S-VHS (Super Video Home System)相混淆，S-VHS 是高档家用录象系统。

S-Video是定义信号电缆连接插座的硬件标准，S-VHS或者写成SVHS
是加强性VHS电视录象带的信号标准，提供的分辨率比VHS提供的分辨率要高一些，噪声信号要低一些。

S-VHS支持分离的亮度和色度信号输入/输出，取消了亮度和色的复合-分离过程。

四、电视信号频谱特性
电视系统是通过行、场扫描来完成图像的分解与合成的，尽管图像内容是随机的，但电视信号仍具有行、场或帧的准周期特性。

通过对静止图像电视信号进行频谱分析可知：它是由行频、场频的基波及其各次谐波组成的，其能量以帧频为间隔对称地分布在行频各次谐波的两侧。

而对活动图像的电视信号，其频谱分布为以行频及其各次谐波为中心的一簇簇连续的梳状谱，如图07-03-3所示。

图07-03-3 活动图像电视信号频谱
对于实际的电视信号，谐波的次数越高，其相对于基波振幅的衰减越大。

在整个电视信号的频带中，没有能量的区域远大于有能量的区域。

根据这一性质，彩色电视系统利用频谱交错原理将亮度信号和色差信号进行半行频或1/4行频间置，完成彩色电视中亮度信号和色度信号的同频带传输。

我国采用的PAL-D制彩色电视信号，亮度信号带宽为6MHz；在美、日等国采用的NTSC制电视系统中亮度信号带宽为4.2MHz。

由于人眼对于色度信号的分辨率远低于对亮度信号的分辨率，因此在彩色电视系统中色度信号的带宽一般均低于
1.3MHz，且调制在彩色副载频上置于亮度信号频谱的高端，以减少亮色信号之间的串扰。

视频图像信号的能量主要分布在行扫描频率f h及其各次谐波n f h上,见图07-03-4。

而在两相邻频率之间能量则很微弱，以至于可以将其看成是空白的。

由于U和V色差信号是R、G、B的线性组合，因此频谱遵循同样的规律。

根据视频信号的频谱特点。

若选择数值为半行频奇数倍的副载频f sc，即使f sc = ( 2 n + 1 ) f h / 2，用f sc来将两个色差信号进行频谱搬移，然后再与亮度信号Y叠加在起，色度信号的能量则刚好落在亮度信号频谱的空白处，如图07-03-4，这就是亮度信号与色度信号按频谱交错间置的共频带传送基本原理。

图07-03-4 亮度信号与色度信号的频谱交错原理
选择f sc时的另一个需要考虑的问题是,在色度信号不超出Y信号的上限频率的前提下,将f sc的数值尽量选高,如图07-03-5所示。

因为f sc越高，它对Y信号的干扰光点越细，能见度越低。

另外，还要考虑到接收机中可能出现的副载频与伴音载频f s之间的差拍干扰。

为此要求f sc与f s之间的差拍频率（f sc－f s）也等于半行频的奇数倍，以降低干扰点的能见度。

图07-03-5 共频带的亮度信号和色度信号频谱
由于副载频只有一个即f sc，而作为调制信号的色差信号则有两个U和V，因此，需对同载频的两个不同相位进行两相调制。

在NTSC和PAL制中是将色差信号U和V调制在载频f
的两个正交相位上，因此叫正交调制。

sc
亮、色信号同频带传送所带来的最大问题是二者之间的干扰，为了降低这种干扰，需最大限度地抑制已调色差信号中不携带信息的功率，因此彩色电视中采用平衡调制的方法，将已调波中的载频分量抑制掉，抑制掉载频后的色差信号的平衡调幅波可表示为：
在频率域内Y、U、V三个信号是交错间置的，而在时间域内Y、U、V是叠加在一起的，再加上各种复原图像所需的同步信号最终形成的信号我们称其为全彩色电视信号，它们的带宽就是原黑白电视所占用的带宽。