彩色电视机原理
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在表中，黄、青、绿、紫、红、蓝都超过了黑白电平，其中黄色电平最高为 1. 79,超过了 79% ， 从表中可看出，标准彩条视频信号的电平范围大大超过了黑白电视所规定的范围。 否则会产生过调制，严重影响图像质量，因此，需设法压缩彩条视频信号电平。 依黑白电视标准电平变化范围在 0～1 之间，若照正极性来说，黑电平为 0、白电平为 1。 为了达到兼容目的，彩色视频信号不应过分超过黑白电视信号动态范围， 幻灯片 13 实践证明，在彩条信号的最大电平和最小电平不超过黑白电平的±33％时，信号电平比较合 适。 色度信号压缩应在调制前进行，只要在两个色差信号前面分别乘上一个小于 1 的压缩系数 a、 b。 设 R 一 Y 压缩 a 倍，B 一 Y 压缩 b 倍。根据上述要求，求出 a、b 值，现用超量最多的黄色 和青色来确定 a、b。 幻灯片 14 当传送黄色时：
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这样，任一色度信号既可以用 V、U 表示，也可以用 I、Q 表示，I、Q 信号波形如图所示。 与 I 轴正交的 Q 轴（与 B-Y 夹角 330）是人眼最不敏感的色轴，可以用 0～0. 5MHz 较窄的 频带传送。定量说，I, Q 正交轴与 V、U 正交轴有 330 夹角关系，如图 幻灯片 27
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VY a2 (R Y )2 b2 (B Y )2 0.89 a2 (R Y )2 b2 (B Y )2 1.33
当传送青色时：
VY a2 (R Y )2 b2 (B Y )2 0.89 a2 (R Y )2 b2 (B Y )2 1.33
求得 a= 0.877， b=0.493。因此，压缩后的色差信号 V=0.877 (R-Y)，U=0. 493(B-Y）。 幻灯片 15 用压缩后的色差信号去调制副载波，这样彩色电视色度信号表示式为:
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(2)色度信号频带宽度为几±1. 3MHz，它的上边带不应超过视频信号 6MHz 带宽范围。 幻灯片 23 五、彩色副载波频率的选择 根据这两项原则和频谱交错原理，对于 NTSC 制副载波频率选择为半行频的倍数，通常称为 半行频间置。另外，考虑到可能伴音载频与副载波的差拍干扰，所以还要求两者差频也等于 半行频的奇数倍。 对于 625 行、50 场／s 的 NTSC 制副载波频率选择为：
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F (R Y )2 (B Y )2 sin(sct )
arctg R Y
B Y
上式表明：色度信号 F 是一个既调幅、又调相的波形。正交平衡调幅的幅度反映了图像饱 和度变化，而相位 j 与 2 个色差信号幅度的比值有关。对不同的色调来说，这个比值是不同 的，故 j 角反映了图像色调变化。所以，NTSC 制的色度信号既是调幅波，又是调相波。
抑制载频后的平衡调幅波[即式(2)的表达式]用一个乘法器就可以得到，其波形如下图所示。 幻灯片 7
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(4)平衡调幅波的包络不再是原来的调幅信号【从图(c)、(d)可看出】，因此不能用幅度检波器 来解调，应采用同步检波器。
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从上式和图中可看出平衡调幅波有如下特点： (2)平衡调幅波的极性由已调信号和载波的极性共同决定，如两者之一反相（色差信号通过 0 值点时）平衡调幅波极性也反相 1800。
关于副载波或色度信号相位，需加以明确的是：任何一个无线电交流信号，其瞬时相位是随 时间变化的，副载波和色度信号也不例外。 在图中,6 个彩条中的色度信号瞬时相位都随时间不断改变，这种改变相当于图中矢量以及相 位基轴都以 2pfsc 的角速度围绕“0"点逆时针旋转，而它们之间相位差是不变的。 这实际上是一个相对的相位关系，今后凡涉及副载波的相位或色同步信号相位，都是以副载 波相位基轴为参考的。 相位差与色调有关，因此，通常以副载波相位基轴 U 轴为相位参考点。 彩色矢量图的横轴为副载波相位基轴，它的正方向 j=0,有关色副载波或色度信号相位，都是 相对它而言的。 j 角不变，幅度变小，意味着色调的饱和度减退。因此，正交平衡调幅，用色度信号相角传 送色调信息，用色度信号幅度传送饱和度信息。 这样，彩色图像电信号 3 个物理量（彩色三要素）— 亮度、色调、饱和度，均得到传递。 幻灯片 19
利用平衡调幅较好地解决了在一个通道内（即同一个频带内）传送色度信号、亮度信号以及 节省发射功率等问题。但是色度信号含有 2 个色度分量，如何使这 2 个色度分量在同一个频 带内传送，而且接收机解码电路又能顺利地把它们分开？为解决这个问题，就采用了正交平 衡调幅。 正交平衡调幅就是把 2 个色差信号 R-Y、B-Y 分别调制到相位相差 900 的同一个副载频上 （注：为了区别于频道载频，把色度信号调制的载频称为副载频）。下图为正交平衡调幅的 方框图。 它们经加法器合成： F＝Fv 十 Fu＝(R 一 Y)coswsct 十(B 一 Y) sinwsc t 将上式稍加变换后，得到： 幻灯片 9
现以标准彩条信号为例来分析彩色全电视信号动态变化的幅度范围。黄条由红和绿两个基 色混合得到：
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F (R Y )2 (B Y )2 sin(sct )
由式 得到： 幻灯片 11
EM =UY＋F=0.89＋
0.112 (0.98)2 sin(sct )
=0.89＋0. 90sin(wsct＋j) 上式中 F 在 0.90 和－0.90 范围内变动，于是 EM 的动态范围是以 0. 89 为中心，值在 1. 79 和－0.01 之间变化。依此方法，得到其他彩条信号 EM 的动态范围变化如表下所示。 幻灯片 12
.
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vW
vAM
.
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vBM 幻灯片 8
二：正交平衡调幅 图中有 2 个乘法器：一个是 R－Y 的、一个是 B－Y 的。若设副载波振幅为 1 的 sinwsc t 信 号，经 900 移相后加到 R －Y 调制器上就为 coswsct,则 2 个调幅器输出为
Fv＝（R 一 Y) coswsct Fu＝（B 一 Y) sinwsc t
第一节： NTSC 制彩色电视 一、平衡调幅 前面曾提出过，目前世界上广播电视制式有 NTSC, PAL 和 SECAM 三大类。NTSC 制是 1953 年 由美国研制成功的世界上第一个兼容性彩色电视制式，我国目前使用的 PAL 制就是在 NTSC 制的基础上作了某些改进形成的一种制式。 兼容制彩色电视中，亮度信号和色度信号在同一个通道和频带内传送。为了减小色度信号对 亮度信号的干扰，对色度信号采用了平衡调幅。平衡调幅是调幅中的一种，又称抑制载波的 调幅。抑制载波的调幅目的在于抑制色度信号对亮度信号的干扰并节省发射功率。 NTSC 制又称正交平衡调幅制式。 幻灯片 5
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(3)传送一幅黑白图像或一幅彩色图像大部分面积为黑白图像，其色差信号为零 时，则平衡调幅波的值也为零。这有利于节省发射功率和兼容（即减少了色度 信号对亮度信号的干扰）。
(1)平衡调幅波不再含有载波分量。 就是说，将色差信号与载波相乘即得到平衡调幅波 vBM，如图 vsc
.
信息，而 wsc±W 上下边频带了（R-Y）信息。一般功率与幅度平方成正比。 式中 m= (R-Y）／ Vsc。 幻灯片 6 把载频用滤波电路抑制掉，式(1)的数学表达式为:
vBM
Vsc
[
1 2
c
os
(sc
)
1 2
c
os
(sc
)]
mVsc cost • cossct （2）
(R Y )cost • cossct
vRY (R Y )COSt
设用色差信号
vsc Vsc cossct
对载波 进行调幅，则调幅后信号的数学表达式为
vAM
VSC cossct
m 2cBiblioteka s(sc)tm 2
cos
(sc
)t
（1）
式(1)表明调幅波包含了 3 个频率：载波频率 wsc 和边频频率 wsc±W。其中载频上不带任何
.
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四、NTSC 制色同步信号 根据兼容制要求，色度信号采用了抑制副载波的平衡调幅，接收机解调平衡调幅波时，不能 用普通的幅度检波器来解调，而要用同步检波器。 在黑白全电视视频信号中，不仅有图像信号，而且有复合同步信号、复合消隐信号。对彩色 电视视频信号来说，上述 3 项信号当然也是少不得的。但是彩色电视信号中还包含有色度信 号。 也就是说，接收机必须恢复一个与发送端被抑制掉的同频、同相位的副载波了 fsc，这个副 载波由本机产生。为了使接收机本机产生的彩色副载波与发射机中的副载波同频、同相，则 接收机中需要一个恢复副载波的频率和相位的基准，这个基准信号由发射台发送，我们称之 为色同步信号。 色同步信号是一串具有 10 个周期左右的、振幅和相位都恒定不变的副载频群，为了不影响 图像内容，它被安插在行消隐后肩上，如图所示。 色同步信号和其他视频信号一起被接收机接收，所以色同步信号也构成了彩色全电视视频信 号成分。 幻灯片 20
F＝Usinwsct 十 Vcoswsct
U 2 V 2 sin(sct )
arctg V
U
压缩后的标准彩条信号如下图所示， 彩条信号值见下表所示。 幻灯片 16
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幻灯片 17 2、彩色矢量图 用矢量图表示各彩条中已调波的振幅和相位，应用很方便，图下就是这样的矢量图。 幻灯片 18
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各矢量的相角由 Cb=bsin(wsct+1800) 决定。 在这个矢量图上，每个相角 j 代表一定的色调，这是正交平衡调幅制的一个重要特点。矢量 的模代表色度信号幅度，即反映了色调的饱和度。
选择 fsc=4.429 687 5MHz 时，亮度信号和色度信号频谱能量分布及频谱结构如图 幻灯片 24
采用 I、Q 信号的 NTSC 制，彩色副载波频率 fsc≈3. 579 545MHz(≈3.58MHz)。 幻灯片 25 六、I、Q 信号 在美国、日本等国家，每帧扫描为 525 行、视频带宽为 4.2MHz 的黑白电视制式，采用了一 种变形的 NTSC 制式。 对人眼视觉特性的研究表明,人眼分辨红、黄之间颜色变化的能力强，而分辨蓝、紫之间颜 色变化的能力最弱。 实践证明，I 轴（与 R-Y 夹角 330）是人眼最敏感的色轴，可用 0～1. 3MHz 较宽的频带传送； 幻灯片 26
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幻灯片 1 彩色电视机原理 主讲：张锷 2013、4
幻灯片 2 第四章 彩色电视制式
彩色电视的制式就是对彩色电视信号进行加工、处理和传输的特定方式。 幻灯片 3
然而，这种传输方式不仅会占用较大的带宽，也无法实现与黑白电视的“兼容”， 因而没有采用。
实用中的广播电视都采用黑白与彩色电视可以相互“兼容”的。 目前，有三种兼容制彩色电视制式： NTSC 制 PAL 制 SECAM 制 幻灯片 4
Cb=bsin(wsct+1800) 它距行同步前沿 5.6ms，幅度为 0. 2V±9mV，宽度为 2.25ms±230ns,由 10±1 个副载波频 率的正弦波组成。其相位与（B－Y）轴相差 1800(即与 U 轴反相），数学表达式为： 式中：b 为色同步信号相对幅值，b=0.215，它“骑”在行消隐后肩上。 幻灯片 21 五、彩色副载波频率的选择 从亮度信号频谱已知，亮度信号的能量分布在以行频及其各次谐波频率为中心的较窄范围之 内。在频谱轴上，余下有较大空隙，所以通过精确选择副载波频率（如选在半行频上），可 使色度信号的频谱线群正好插在亮度信号各谱线群的空隙中，这就是频谱交错原理。 根据兼容制要求，亮度信号和色度信号共同在一个频带内传送，于是就会发生亮度信号和色 度信号相互串扰的问题。R－Y，B－Y 采用频带压缩是减少亮度和色调信号相互串扰现象的 措施之一，采用平衡调幅是减少这种串扰现象的措施之二，精确选择副载波频率（频谱交错） 是减少这种相互串扰现象的措施之三。 幻灯片 22 五、彩色副载波频率的选择 副载波频率选择的原则及 NTSC 制副载波频率选择： (1)副载波频率应尽量选择在视频频带高端，因为亮度信号高频能量少，相对空隙多。这也 是减少亮度信号和色调信号相互串扰现象的措施之四。
幻灯片 10 三、色度信号幅度压缩系数和彩色矢量图 1、压缩系数
Y＝0. 30R＋0. 59G＋0. 11B ＝0.30×1＋0.59×1＋0＝0.89
R－Y=70R－0. 59G－0.11B =0.70－0．59－0=0.11
B－Y =－ 0. 30R－0. 59G＋0. 89B ＝－0.30－0. 59＋0=－0. 89
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这样，任一色度信号既可以用 V、U 表示，也可以用 I、Q 表示，I、Q 信号波形如图所示。 与 I 轴正交的 Q 轴（与 B-Y 夹角 330）是人眼最不敏感的色轴，可以用 0～0. 5MHz 较窄的 频带传送。定量说，I, Q 正交轴与 V、U 正交轴有 330 夹角关系，如图 幻灯片 27
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VY a2 (R Y )2 b2 (B Y )2 0.89 a2 (R Y )2 b2 (B Y )2 1.33
当传送青色时：
VY a2 (R Y )2 b2 (B Y )2 0.89 a2 (R Y )2 b2 (B Y )2 1.33
求得 a= 0.877， b=0.493。因此，压缩后的色差信号 V=0.877 (R-Y)，U=0. 493(B-Y）。 幻灯片 15 用压缩后的色差信号去调制副载波，这样彩色电视色度信号表示式为:
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(2)色度信号频带宽度为几±1. 3MHz，它的上边带不应超过视频信号 6MHz 带宽范围。 幻灯片 23 五、彩色副载波频率的选择 根据这两项原则和频谱交错原理，对于 NTSC 制副载波频率选择为半行频的倍数，通常称为 半行频间置。另外，考虑到可能伴音载频与副载波的差拍干扰，所以还要求两者差频也等于 半行频的奇数倍。 对于 625 行、50 场／s 的 NTSC 制副载波频率选择为：
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F (R Y )2 (B Y )2 sin(sct )
arctg R Y
B Y
上式表明：色度信号 F 是一个既调幅、又调相的波形。正交平衡调幅的幅度反映了图像饱 和度变化，而相位 j 与 2 个色差信号幅度的比值有关。对不同的色调来说，这个比值是不同 的，故 j 角反映了图像色调变化。所以，NTSC 制的色度信号既是调幅波，又是调相波。
抑制载频后的平衡调幅波[即式(2)的表达式]用一个乘法器就可以得到，其波形如下图所示。 幻灯片 7
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(4)平衡调幅波的包络不再是原来的调幅信号【从图(c)、(d)可看出】，因此不能用幅度检波器 来解调，应采用同步检波器。
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从上式和图中可看出平衡调幅波有如下特点： (2)平衡调幅波的极性由已调信号和载波的极性共同决定，如两者之一反相（色差信号通过 0 值点时）平衡调幅波极性也反相 1800。
关于副载波或色度信号相位，需加以明确的是：任何一个无线电交流信号，其瞬时相位是随 时间变化的，副载波和色度信号也不例外。 在图中,6 个彩条中的色度信号瞬时相位都随时间不断改变，这种改变相当于图中矢量以及相 位基轴都以 2pfsc 的角速度围绕“0"点逆时针旋转，而它们之间相位差是不变的。 这实际上是一个相对的相位关系，今后凡涉及副载波的相位或色同步信号相位，都是以副载 波相位基轴为参考的。 相位差与色调有关，因此，通常以副载波相位基轴 U 轴为相位参考点。 彩色矢量图的横轴为副载波相位基轴，它的正方向 j=0,有关色副载波或色度信号相位，都是 相对它而言的。 j 角不变，幅度变小，意味着色调的饱和度减退。因此，正交平衡调幅，用色度信号相角传 送色调信息，用色度信号幅度传送饱和度信息。 这样，彩色图像电信号 3 个物理量（彩色三要素）— 亮度、色调、饱和度，均得到传递。 幻灯片 19
利用平衡调幅较好地解决了在一个通道内（即同一个频带内）传送色度信号、亮度信号以及 节省发射功率等问题。但是色度信号含有 2 个色度分量，如何使这 2 个色度分量在同一个频 带内传送，而且接收机解码电路又能顺利地把它们分开？为解决这个问题，就采用了正交平 衡调幅。 正交平衡调幅就是把 2 个色差信号 R-Y、B-Y 分别调制到相位相差 900 的同一个副载频上 （注：为了区别于频道载频，把色度信号调制的载频称为副载频）。下图为正交平衡调幅的 方框图。 它们经加法器合成： F＝Fv 十 Fu＝(R 一 Y)coswsct 十(B 一 Y) sinwsc t 将上式稍加变换后，得到： 幻灯片 9
现以标准彩条信号为例来分析彩色全电视信号动态变化的幅度范围。黄条由红和绿两个基 色混合得到：
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F (R Y )2 (B Y )2 sin(sct )
由式 得到： 幻灯片 11
EM =UY＋F=0.89＋
0.112 (0.98)2 sin(sct )
=0.89＋0. 90sin(wsct＋j) 上式中 F 在 0.90 和－0.90 范围内变动，于是 EM 的动态范围是以 0. 89 为中心，值在 1. 79 和－0.01 之间变化。依此方法，得到其他彩条信号 EM 的动态范围变化如表下所示。 幻灯片 12
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二：正交平衡调幅 图中有 2 个乘法器：一个是 R－Y 的、一个是 B－Y 的。若设副载波振幅为 1 的 sinwsc t 信 号，经 900 移相后加到 R －Y 调制器上就为 coswsct,则 2 个调幅器输出为
Fv＝（R 一 Y) coswsct Fu＝（B 一 Y) sinwsc t
第一节： NTSC 制彩色电视 一、平衡调幅 前面曾提出过，目前世界上广播电视制式有 NTSC, PAL 和 SECAM 三大类。NTSC 制是 1953 年 由美国研制成功的世界上第一个兼容性彩色电视制式，我国目前使用的 PAL 制就是在 NTSC 制的基础上作了某些改进形成的一种制式。 兼容制彩色电视中，亮度信号和色度信号在同一个通道和频带内传送。为了减小色度信号对 亮度信号的干扰，对色度信号采用了平衡调幅。平衡调幅是调幅中的一种，又称抑制载波的 调幅。抑制载波的调幅目的在于抑制色度信号对亮度信号的干扰并节省发射功率。 NTSC 制又称正交平衡调幅制式。 幻灯片 5
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(3)传送一幅黑白图像或一幅彩色图像大部分面积为黑白图像，其色差信号为零 时，则平衡调幅波的值也为零。这有利于节省发射功率和兼容（即减少了色度 信号对亮度信号的干扰）。
(1)平衡调幅波不再含有载波分量。 就是说，将色差信号与载波相乘即得到平衡调幅波 vBM，如图 vsc
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信息，而 wsc±W 上下边频带了（R-Y）信息。一般功率与幅度平方成正比。 式中 m= (R-Y）／ Vsc。 幻灯片 6 把载频用滤波电路抑制掉，式(1)的数学表达式为:
vBM
Vsc
[
1 2
c
os
(sc
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1 2
c
os
(sc
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mVsc cost • cossct （2）
(R Y )cost • cossct
vRY (R Y )COSt
设用色差信号
vsc Vsc cossct
对载波 进行调幅，则调幅后信号的数学表达式为
vAM
VSC cossct
m 2cBiblioteka s(sc)tm 2
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(sc
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式(1)表明调幅波包含了 3 个频率：载波频率 wsc 和边频频率 wsc±W。其中载频上不带任何
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四、NTSC 制色同步信号 根据兼容制要求，色度信号采用了抑制副载波的平衡调幅，接收机解调平衡调幅波时，不能 用普通的幅度检波器来解调，而要用同步检波器。 在黑白全电视视频信号中，不仅有图像信号，而且有复合同步信号、复合消隐信号。对彩色 电视视频信号来说，上述 3 项信号当然也是少不得的。但是彩色电视信号中还包含有色度信 号。 也就是说，接收机必须恢复一个与发送端被抑制掉的同频、同相位的副载波了 fsc，这个副 载波由本机产生。为了使接收机本机产生的彩色副载波与发射机中的副载波同频、同相，则 接收机中需要一个恢复副载波的频率和相位的基准，这个基准信号由发射台发送，我们称之 为色同步信号。 色同步信号是一串具有 10 个周期左右的、振幅和相位都恒定不变的副载频群，为了不影响 图像内容，它被安插在行消隐后肩上，如图所示。 色同步信号和其他视频信号一起被接收机接收，所以色同步信号也构成了彩色全电视视频信 号成分。 幻灯片 20
F＝Usinwsct 十 Vcoswsct
U 2 V 2 sin(sct )
arctg V
U
压缩后的标准彩条信号如下图所示， 彩条信号值见下表所示。 幻灯片 16
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幻灯片 17 2、彩色矢量图 用矢量图表示各彩条中已调波的振幅和相位，应用很方便，图下就是这样的矢量图。 幻灯片 18
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各矢量的相角由 Cb=bsin(wsct+1800) 决定。 在这个矢量图上，每个相角 j 代表一定的色调，这是正交平衡调幅制的一个重要特点。矢量 的模代表色度信号幅度，即反映了色调的饱和度。
选择 fsc=4.429 687 5MHz 时，亮度信号和色度信号频谱能量分布及频谱结构如图 幻灯片 24
采用 I、Q 信号的 NTSC 制，彩色副载波频率 fsc≈3. 579 545MHz(≈3.58MHz)。 幻灯片 25 六、I、Q 信号 在美国、日本等国家，每帧扫描为 525 行、视频带宽为 4.2MHz 的黑白电视制式，采用了一 种变形的 NTSC 制式。 对人眼视觉特性的研究表明,人眼分辨红、黄之间颜色变化的能力强，而分辨蓝、紫之间颜 色变化的能力最弱。 实践证明，I 轴（与 R-Y 夹角 330）是人眼最敏感的色轴，可用 0～1. 3MHz 较宽的频带传送； 幻灯片 26
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幻灯片 1 彩色电视机原理 主讲：张锷 2013、4
幻灯片 2 第四章 彩色电视制式
彩色电视的制式就是对彩色电视信号进行加工、处理和传输的特定方式。 幻灯片 3
然而，这种传输方式不仅会占用较大的带宽，也无法实现与黑白电视的“兼容”， 因而没有采用。
实用中的广播电视都采用黑白与彩色电视可以相互“兼容”的。 目前，有三种兼容制彩色电视制式： NTSC 制 PAL 制 SECAM 制 幻灯片 4
Cb=bsin(wsct+1800) 它距行同步前沿 5.6ms，幅度为 0. 2V±9mV，宽度为 2.25ms±230ns,由 10±1 个副载波频 率的正弦波组成。其相位与（B－Y）轴相差 1800(即与 U 轴反相），数学表达式为： 式中：b 为色同步信号相对幅值，b=0.215，它“骑”在行消隐后肩上。 幻灯片 21 五、彩色副载波频率的选择 从亮度信号频谱已知，亮度信号的能量分布在以行频及其各次谐波频率为中心的较窄范围之 内。在频谱轴上，余下有较大空隙，所以通过精确选择副载波频率（如选在半行频上），可 使色度信号的频谱线群正好插在亮度信号各谱线群的空隙中，这就是频谱交错原理。 根据兼容制要求，亮度信号和色度信号共同在一个频带内传送，于是就会发生亮度信号和色 度信号相互串扰的问题。R－Y，B－Y 采用频带压缩是减少亮度和色调信号相互串扰现象的 措施之一，采用平衡调幅是减少这种串扰现象的措施之二，精确选择副载波频率（频谱交错） 是减少这种相互串扰现象的措施之三。 幻灯片 22 五、彩色副载波频率的选择 副载波频率选择的原则及 NTSC 制副载波频率选择： (1)副载波频率应尽量选择在视频频带高端，因为亮度信号高频能量少，相对空隙多。这也 是减少亮度信号和色调信号相互串扰现象的措施之四。
幻灯片 10 三、色度信号幅度压缩系数和彩色矢量图 1、压缩系数
Y＝0. 30R＋0. 59G＋0. 11B ＝0.30×1＋0.59×1＋0＝0.89
R－Y=70R－0. 59G－0.11B =0.70－0．59－0=0.11
B－Y =－ 0. 30R－0. 59G＋0. 89B ＝－0.30－0. 59＋0=－0. 89