2021彩色全電視信號編碼及重要信號的頻譜分析

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1、彩色全電視信號編碼及重要信號的頻譜分析 信息科學與技術學院 本科論文 論文題目：彩色全電視信號編碼及重要信號的頻譜分析院系：信息科學與技術學院 專業(yè)：08級電子信息科學與技術 學號：0814830014 姓名： 指導教師： 撰寫學年：2010 至2011 學年 二零一一年六月 摘要 本文主要對彩色全電視編碼過程及其重要信號與其頻譜分析進行了詳細論述。其中包括色差信號（R-Y,B-Y）,亮度信號Y,色度信號（U,FU,V,FV,F）以及行同步，場同步，消隱脈沖，色同步等信號以及最終合成的彩色全電視信號（FBAS）的波形圖。此外，文中還介紹了與其相關的應用軟件MATLAB 的

2、歷史與用途。 關鍵詞MATLAB 彩色全電視信號亮度信號色度信號 大面積著色混合高頻頻譜交錯 目錄 引言 (3) 1彩色全電視信號的編碼及關鍵信號的產生 (4) 1.1 MATLAB的歷史及其應用 (4) 1.2彩色全電視信號的產生 (4) 1.2.1亮度信號的產生 (4) 1.2.2色度信號的產生 (6) 1.2.3同步信號 (9) 2 重要信號的頻譜分析 (10) 2.2 PAL制的主要性能特點 (14) 3總結具體編碼過程 (15) 參考文獻 (16) 致謝 (17) 引言 為了使我們進一步認識彩色全電視信號的編碼過程以及重要信號的頻譜，我們特此進行了此

3、次實驗。 全電視信號（主要是其中的視頻信號）還用來控制顯像管的電子束。只要是收，發(fā)兩端的掃描規(guī)律一致，并且掃描與電子束控制配合得當，就可以從顯圖像。在電視機中，同步分離時要產生一些延時，消隱信號又多用自己產生的，若與視頻信號配合不當，將影響圖像質量。因此，了解電視標準是很有意義的。 全電視信號中，各合成信號的電平關系是以同步信號電平為100%，黑電平（既消隱電平）為75%，白電平為0，其他亮度的電平介于0-75%之間，隨圖像內容變化。( 以同步信號的幅值電平作為100％；則黑色電平和消隱電平的相對幅度為75％；白色電平相對幅度為10％～12.5％；圖像信號電平介于白色電平與黑色電平之間。)

4、 在多媒體技術和電視行業(yè)，全電視信號是由亮度信號和色差信號組成的視頻信號、音頻信號以及同步信號在內的一幀電視信號。 1彩色全電視信號的編碼及關鍵信號的產生 1.1 MATLAB的歷史及其應用 MATLAB 是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數學軟件，用于算法開發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。 MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，和Mathematica、Maple并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制

5、函數和數據、實現算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。 MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點,使MATLAB成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{用,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫

6、了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。 新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C++數學庫和圖形庫，將自己的MATLAB程序自動轉換為獨立于MATLAB運行的C和C++代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進行交互的C或C++語言程序。另外，MATLAB網頁服務程序還容許在Web應用中使用自己的MATLAB數學和圖形程序。MATLAB的一個重要特色就是具有一套程序擴展系統和一組稱之為工具箱的特殊應用子程序。工具箱是MATLAB函數的子程序庫，每一個工具箱都是為某一類學科專業(yè)和應用而定制的，主要包括信號處理、控制系統、神經網絡、模糊邏輯、小波分析和系統仿真等方面的應用。

7、 1.2彩色全電視信號的產生 1.2.1亮度信號的產生 彩色全電視信號是在黑白電視的基礎上發(fā)展起來的，在彩色電視的發(fā)展過程中，必然形成在相當長的一段時間內，黑白電視與彩色電視同時并存的情況，所以必須研究彩色電視與黑白電視的兼容問題。為了實現兼容，彩色電視廣播必須傳送一個亮度信號。由于彩色攝像機產生的是紅、綠、 藍三基色，那么怎樣來產生一個亮度信號呢？根據三基色與三要素的關系可知，混合光的亮度為三基色光的亮度之和。又根據人眼相對視敏度特性可知，紅、綠、藍三基色信號中的亮度成分又是不一樣的，視敏度高的基色（如綠色）含有的亮度成分多一些。NTSC制規(guī)定的紅、綠、藍亮度成分比例是0.30(紅)：

8、0.59(綠)：0.11(藍)。比例系數的確定與規(guī)定的標準白光有關，與紅、綠、藍熒光粉的選擇也有關。這就是說，紅基色信號（ER）、綠基色信號（EG）、藍基色信號（EB）可按這個比例混合，可獲得一個亮度信號（EY），即亮度方程式為：EY=0.30ER+0.59EG+0.11EB。 由于每個基色信息中都含有亮度信息，如果直接傳送基色信號，已傳送的亮度信號Y(為各基色亮度總和)與所選出的兩個基色所包含的亮度參量就重復了，因而使得基色與亮度之間的相互干擾也會十分嚴重。所以通常選擇不反映亮度信息的信號傳送色度信息，例如基色信號與亮度信號相減所得到的色差信號(R-Y)、(G-Y)和(B-Y)，可從中選取

9、兩個代表色度信息。因此，在彩色電視系統中，為傳送彩色圖像，選用了一個亮度信號和兩個色差信號 R-Y B-Y 人眼對色度細節(jié)的分辨能力低于對亮度細節(jié)的分辨能力。當圖像彩色細節(jié)細到一度程度后，人眼已分辨不出彩色，只有明暗感覺。因此在傳送彩色圖像時，在細節(jié)部分只需傳送亮度信息而不需要傳送色度信息。而圖像的細節(jié)與圖像信號的高頻成分相對應，因此可以把色度信號中的高頻成分濾除(不傳送)，以縮小色度信號的頻帶.所以選用MATLAB的二階濾波器，設置參數為13E+5，連接色差信號，仿真濾波： R-Y B-Y 亮度信號Y 1.2.2色度信號的產生 為了傳送彩色圖像，從兼容的角度出發(fā)，彩色電視系統

10、中應傳送一個只反映圖像亮度的亮度信號，同時還需要傳送色度信息，常以F表示。根據亮度方程Y=0.3+0.59G+0.11B，只要在傳送Y的同時，再傳送三個基色中的任意兩個，就可以既滿足兼容，又滿足傳送亮度與色度信息。 在將兩個色差信號分別對兩個正交的副載波進行平衡調幅之前，先對其進行適當的幅度壓縮，這是不失真?zhèn)鬏斔枰摹嚎s后的色差信號分別用U和V表示，它們與壓縮前的色差信號的關系是： U = 0.493(B-Y) （2-9） V = 0.877(R-Y) （2-10） 式中0.493和0.873稱為色差信號的壓縮系數。壓縮后的色差信號分別對兩個正交副載波sinωSCt和cosωSCt

11、進行平衡調幅，從而得到兩個平衡調幅信號FU和FV： FU = UsinωSCt （2-11） FV = VcosωSCt （2-12） 這兩個平衡調幅信號FU 、FV（又稱藍色度分量和紅色度分量）頻率相等，相位相差90，保持著正交關系，將兩者相加便得到正交平衡調幅的色度信號F： F = FU + FV = U sinωSCt + V cosωSCt（2-13） F亦可用矢量表示，稱彩色矢量，如圖(2-8) 所示： 由圖2-8可見，色度信號的振幅Fm和相角j（2-14)、（2-15） 由（2-14）和（2-15）兩式可見，色度信號F的振幅Fm取決于U、V 值的大?。簧刃盘朏的相

12、角取決于V與U的比值，它決定著彩色的色調。這說明色度信號F包含著色調和色飽和度信息，是一個既調幅又調相的信號。當色度信號的相位發(fā)生變化時，會引起色調變化；當色度信號的振幅發(fā)生變化時，會引起飽和度變化。 實現正交平衡調幅的方框圖如圖(2-9)所示。 由副載波發(fā)生器產生的副載波sinwsct經放大后直接加至U平衡調幅器，由色差信號U進行平衡調幅，產生平衡調幅波FU分量；同時sinwsct 經過90移相后，得到到正交副載波cosωSCt，然后送V平衡調制器由色 差信號V進行調制，產生平衡調幅波FV分量，FV與FU在合成器中相加得到色度信號F。 U Fu V Fv F 1.2.3同步

13、信號 要從彩色全電視信號中獲得兩個色差信號，就要運用同步檢波電路，它根據色度信號的兩個分量相差2/pi的相位差解調出色差信號，這一方法叫同步解調，要實現同步解調，關鍵是要有一個與色差信號調制時的副副載波同頻同相的恢復副載波。為保證所產生的副載波與發(fā)端的副載波同步，需要發(fā)端在發(fā)送彩色全電視信號的同時發(fā)送一個能反映發(fā)端副載波頻率與相位的信號——色同步信號： 電視系統中，收發(fā)掃描必須嚴格同步，這就需要電視發(fā)送端每當掃描完一場時就加入一個行同步脈沖，得到行同步波形： 電子束在回掃時如果不采取措施，無論是行還是場都會出現回掃線，解決的方法就是加入消隱脈沖： 通過用MATLAB仿真電路，連接整個電

14、路如圖： 最后得到彩色全電視信號FBAS： 通過用MATLAB 仿真頻譜電路，連接整個電路如圖： 通過仿真電路，分別獲得Y,Y1,F,Fv,FBAS的頻譜波形： Y Y1 F Fv FBAS 2.1 頻帶壓縮與頻譜間 色差信號帶寬 1.3MHz窄帶圖像色調和色飽和度 亮度信號帶寬6MHz寬帶圖像明暗和清晰度 頻譜間置（色度信號安插在亮度信號頻譜空隙處）亮度信號和色差信號的頻譜 2.2 PAL制的主要性能特點 (1) 克服了NTSC制相位敏感的缺點。PAL制使彩色相序逐行改變，使串色 極性逐行取反，加之梳狀濾波器在頻域的分離作用，使串色大為減

15、小。又由 于人眼的視覺平均作用，就使得傳輸失真不再對重現彩色圖像的色 調產生明顯的影響。可使微分相位的容限達40以上。 (2) PAL制采用1/4 行間置再加25Hz彩色副載波，有效地實現了亮度信號 與色度信號的頻譜交錯，因而有較好的兼容性。 (3) 梳狀濾波器在分離色度信號的同時，使亮度串色的幅度也下降了3dB， 從而使彩色信雜比提高了3dB。 (4) 由于PAL制為1/4 行間置，所以亮、色分離要比NTSC制困難 (NTS 制可以用1個整行延遲線的梳狀濾波器實現亮、色分離，而PAL需要2行 遲)，且分離質量也較差。在要求高質量分離的場合(如制式轉換和數字編 碼等)，可

16、采用數字濾波這類較復雜的技術。 (5) 與NTSC 制相比，PAL 制電路復雜，對同步精度要求高等缺點。 (6) 存在行順序效應，即“百葉窗”效應。這是因為FU和FV二分量互相串擾是逐行倒相的，造成相鄰兩行間較大亮度差異。由于人眼對亮度差異較敏感而產生對圖像有明暗相間的水平條線條感。這種明暗線條因隔行掃描而向上蠕動，故也將行順序效應稱“爬行”，又因水平條紋形似百葉窗，因之稱其為“百葉窗”效應。 產生行順序效應的內因是色度信號分量逐行倒相，外因是傳輸誤差或解碼電路中的各種誤差。 3總結具體編碼過程 （1）將經過γ校正的R、G、B三基色電信號通矩陣電路，變換成亮度信號Y和色差信號（R-Y

17、）和（B-Y）。 （2）為抑制色度信號副載波對亮度信號的干擾，在Y通道中接入一個副載波陷波器。陷波后的Y信號經過放大后與行、場同步及消隱信號相混合。 （3）色差信號（R-Y）和（B-Y）經幅度和頻帶壓縮后，得到V、U。V信號與+K脈沖混合后與coswSCt副載波同時進入平衡調幅器，經平衡調幅電路輸出紅色度分量FV和色同步信號FbV分量；色差信號U與-K 脈沖混合后，對sinwSCt平衡條調幅，得到FU和色同步信號FbU分量。以上二色度分量與色同步信號分量混合后，最后得到色度信號F和色同步信號Fb。為了得到逐行倒相的正交副載波coswSCt，需要設置90移相、180倒相和PAL開關電路、逐行

18、倒相的半行頻（7.8kHz）開關控制信號jK （t）。 （4）色度信號F、色同步信號Fb、亮度信號Y與消隱信號A、同步信號S經混合電路后輸出彩色全電視信號FBAS。 彩色全電視信號由多個信號組成，通過應用MATLAB進行仿真可以幫我們清楚地了解并記憶，把抽象的文字信息用具體的圖像信號表現出來。MATLAB具有很多優(yōu)勢，在以后的學習中我們還會遇到很多類似的問題，能夠熟練掌握MATLAB，即將給我們帶來很多便利。 參考文獻 [1] 《電視原理與現代電視系統》（西安電子科技大學出版社） [2] 《電視原理與系統》（西安電子科技大學出版社2004-01 出版） [3] 《電視原理》中國傳媒大學精品課程教學網站 致謝 本次實驗過程中出現了許多問題，在鞏老師以及馮偉業(yè)等同學的幫助下最終完成。謹在此感謝鞏瑞春老師以及其他各位同學的指導與幫助。