2021彩色全電視信號(hào)編碼及重要信號(hào)的頻譜分析

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1、彩色全電視信號(hào)編碼及重要信號(hào)的頻譜分析 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 本科論文 論文題目：彩色全電視信號(hào)編碼及重要信號(hào)的頻譜分析院系：信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 專業(yè)：08級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué)號(hào)：0814830014 姓名： 指導(dǎo)教師： 撰寫學(xué)年：2010 至2011 學(xué)年 二零一一年六月 摘要 本文主要對(duì)彩色全電視編碼過程及其重要信號(hào)與其頻譜分析進(jìn)行了詳細(xì)論述。其中包括色差信號(hào)（R-Y,B-Y）,亮度信號(hào)Y,色度信號(hào)（U,FU,V,FV,F）以及行同步，場(chǎng)同步，消隱脈沖，色同步等信號(hào)以及最終合成的彩色全電視信號(hào)（FBAS）的波形圖。此外，文中還介紹了與其相關(guān)的應(yīng)用軟件MATLAB 的

2、歷史與用途。 關(guān)鍵詞MATLAB 彩色全電視信號(hào)亮度信號(hào)色度信號(hào) 大面積著色混合高頻頻譜交錯(cuò) 目錄 引言 (3) 1彩色全電視信號(hào)的編碼及關(guān)鍵信號(hào)的產(chǎn)生 (4) 1.1 MATLAB的歷史及其應(yīng)用 (4) 1.2彩色全電視信號(hào)的產(chǎn)生 (4) 1.2.1亮度信號(hào)的產(chǎn)生 (4) 1.2.2色度信號(hào)的產(chǎn)生 (6) 1.2.3同步信號(hào) (9) 2 重要信號(hào)的頻譜分析 (10) 2.2 PAL制的主要性能特點(diǎn) (14) 3總結(jié)具體編碼過程 (15) 參考文獻(xiàn) (16) 致謝 (17) 引言 為了使我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)彩色全電視信號(hào)的編碼過程以及重要信號(hào)的頻譜，我們特此進(jìn)行了此

3、次實(shí)驗(yàn)。 全電視信號(hào)（主要是其中的視頻信號(hào)）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(dāng)，就可以從顯圖像。在電視機(jī)中，同步分離時(shí)要產(chǎn)生一些延時(shí)，消隱信號(hào)又多用自己產(chǎn)生的，若與視頻信號(hào)配合不當(dāng)，將影響圖像質(zhì)量。因此，了解電視標(biāo)準(zhǔn)是很有意義的。 全電視信號(hào)中，各合成信號(hào)的電平關(guān)系是以同步信號(hào)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(nèi)容變化。( 以同步信號(hào)的幅值電平作為100％；則黑色電平和消隱電平的相對(duì)幅度為75％；白色電平相對(duì)幅度為10％～12.5％；圖像信號(hào)電平介于白色電平與黑色電平之間。)

4、 在多媒體技術(shù)和電視行業(yè)，全電視信號(hào)是由亮度信號(hào)和色差信號(hào)組成的視頻信號(hào)、音頻信號(hào)以及同步信號(hào)在內(nèi)的一幀電視信號(hào)。 1彩色全電視信號(hào)的編碼及關(guān)鍵信號(hào)的產(chǎn)生 1.1 MATLAB的歷史及其應(yīng)用 MATLAB 是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)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(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制

5、函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫

6、了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。 新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C++數(shù)學(xué)庫和圖形庫，將自己的MATLAB程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于MATLAB運(yùn)行的C和C++代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進(jìn)行交互的C或C++語言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁服務(wù)程序還容許在Web應(yīng)用中使用自己的MATLAB數(shù)學(xué)和圖形程序。MATLAB的一個(gè)重要特色就是具有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是MATLAB函數(shù)的子程序庫，每一個(gè)工具箱都是為某一類學(xué)科專業(yè)和應(yīng)用而定制的，主要包括信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。

7、 1.2彩色全電視信號(hào)的產(chǎn)生 1.2.1亮度信號(hào)的產(chǎn)生 彩色全電視信號(hào)是在黑白電視的基礎(chǔ)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(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，黑白電視與彩色電視同時(shí)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(shí)現(xiàn)兼容，彩色電視廣播必須傳送一個(gè)亮度信號(hào)。由于彩色攝像機(jī)產(chǎn)生的是紅、綠、 藍(lán)三基色，那么怎樣來產(chǎn)生一個(gè)亮度信號(hào)呢？根據(jù)三基色與三要素的關(guān)系可知，混合光的亮度為三基色光的亮度之和。又根據(jù)人眼相對(duì)視敏度特性可知，紅、綠、藍(lán)三基色信號(hào)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(lán)亮度成分比例是0.30(紅)：

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

9、兩個(gè)代表色度信息。因此，在彩色電視系統(tǒng)中，為傳送彩色圖像，選用了一個(gè)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào) R-Y B-Y 人眼對(duì)色度細(xì)節(jié)的分辨能力低于對(duì)亮度細(xì)節(jié)的分辨能力。當(dāng)圖像彩色細(xì)節(jié)細(xì)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(shí)，在細(xì)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(xì)節(jié)與圖像信號(hào)的高頻成分相對(duì)應(yīng)，因此可以把色度信號(hào)中的高頻成分濾除(不傳送)，以縮小色度信號(hào)的頻帶.所以選用MATLAB的二階濾波器，設(shè)置參數(shù)為13E+5，連接色差信號(hào)，仿真濾波： R-Y B-Y 亮度信號(hào)Y 1.2.2色度信號(hào)的產(chǎn)生 為了傳送彩色圖像，從兼容的角度出發(fā)，彩色電視系統(tǒng)

10、中應(yīng)傳送一個(gè)只反映圖像亮度的亮度信號(hào)，同時(shí)還需要傳送色度信息，常以F表示。根據(jù)亮度方程Y=0.3+0.59G+0.11B，只要在傳送Y的同時(shí)，再傳送三個(gè)基色中的任意兩個(gè)，就可以既滿足兼容，又滿足傳送亮度與色度信息。 在將兩個(gè)色差信號(hào)分別對(duì)兩個(gè)正交的副載波進(jìn)行平衡調(diào)幅之前，先對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆葔嚎s，這是不失真?zhèn)鬏斔枰摹嚎s后的色差信號(hào)分別用U和V表示，它們與壓縮前的色差信號(hào)的關(guān)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(hào)的壓縮系數(shù)。壓縮后的色差信號(hào)分別對(duì)兩個(gè)正交副載波sinωSCt和cosωSCt

11、進(jìn)行平衡調(diào)幅，從而得到兩個(gè)平衡調(diào)幅信號(hào)FU和FV： FU = UsinωSCt （2-11） FV = VcosωSCt （2-12） 這兩個(gè)平衡調(diào)幅信號(hào)FU 、FV（又稱藍(lán)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(guān)系，將兩者相加便得到正交平衡調(diào)幅的色度信號(hào)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(hào)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(hào)F的振幅Fm取決于U、V 值的大??；色度信號(hào)F的相

12、角取決于V與U的比值，它決定著彩色的色調(diào)。這說明色度信號(hào)F包含著色調(diào)和色飽和度信息，是一個(gè)既調(diào)幅又調(diào)相的信號(hào)。當(dāng)色度信號(hào)的相位發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起色調(diào)變化；當(dāng)色度信號(hào)的振幅發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起飽和度變化。 實(shí)現(xiàn)正交平衡調(diào)幅的方框圖如圖(2-9)所示。 由副載波發(fā)生器產(chǎn)生的副載波sinwsct經(jīng)放大后直接加至U平衡調(diào)幅器，由色差信號(hào)U進(jìn)行平衡調(diào)幅，產(chǎn)生平衡調(diào)幅波FU分量；同時(shí)sinwsct 經(jīng)過90移相后，得到到正交副載波cosωSCt，然后送V平衡調(diào)制器由色 差信號(hào)V進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生平衡調(diào)幅波FV分量，F(xiàn)V與FU在合成器中相加得到色度信號(hào)F。 U Fu V Fv F 1.2.3同步

13、信號(hào) 要從彩色全電視信號(hào)中獲得兩個(gè)色差信號(hào)，就要運(yùn)用同步檢波電路，它根據(jù)色度信號(hào)的兩個(gè)分量相差2/pi的相位差解調(diào)出色差信號(hào)，這一方法叫同步解調(diào)，要實(shí)現(xiàn)同步解調(diào)，關(guān)鍵是要有一個(gè)與色差信號(hào)調(diào)制時(shí)的副副載波同頻同相的恢復(fù)副載波。為保證所產(chǎn)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(hào)的同時(shí)發(fā)送一個(gè)能反映發(fā)端副載波頻率與相位的信號(hào)——色同步信號(hào)： 電視系統(tǒng)中，收發(fā)掃描必須嚴(yán)格同步，這就需要電視發(fā)送端每當(dāng)掃描完一場(chǎng)時(shí)就加入一個(gè)行同步脈沖，得到行同步波形： 電子束在回掃時(shí)如果不采取措施，無論是行還是場(chǎng)都會(huì)出現(xiàn)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(gè)電

14、路如圖： 最后得到彩色全電視信號(hào)FBAS： 通過用MATLAB 仿真頻譜電路，連接整個(gè)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(hào)帶寬 1.3MHz窄帶圖像色調(diào)和色飽和度 亮度信號(hào)帶寬6MHz寬帶圖像明暗和清晰度 頻譜間置（色度信號(hào)安插在亮度信號(hào)頻譜空隙處）亮度信號(hào)和色差信號(hào)的頻譜 2.2 PAL制的主要性能特點(diǎn) (1) 克服了NTSC制相位敏感的缺點(diǎn)。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(duì)重現(xiàn)彩色圖像的色 調(diào)產(chǎn)生明顯的影響?？墒刮⒎窒辔坏娜菹捱_(dá)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(shí)現(xiàn)了亮度信號(hào) 與色度信號(hào)的頻譜交錯(cuò)，因而有較好的兼容性。 (3) 梳狀濾波器在分離色度信號(hào)的同時(shí)，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(gè)整行延遲線的梳狀濾波器實(shí)現(xiàn)亮、色分離，而PAL需要2行 遲)，且分離質(zhì)量也較差。在要求高質(zhì)量分離的場(chǎng)合(如制式轉(zhuǎn)換和數(shù)字編 碼等)，可

16、采用數(shù)字濾波這類較復(fù)雜的技術(shù)。 (5) 與NTSC 制相比，PAL 制電路復(fù)雜，對(duì)同步精度要求高等缺點(diǎn)。 (6) 存在行順序效應(yīng)，即“百葉窗”效應(yīng)。這是因?yàn)镕U和FV二分量互相串?dāng)_是逐行倒相的，造成相鄰兩行間較大亮度差異。由于人眼對(duì)亮度差異較敏感而產(chǎn)生對(duì)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(dòng)，故也將行順序效應(yīng)稱“爬行”，又因水平條紋形似百葉窗，因之稱其為“百葉窗”效應(yīng)。 產(chǎn)生行順序效應(yīng)的內(nèi)因是色度信號(hào)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(jié)具體編碼過程 （1）將經(jīng)過γ校正的R、G、B三基色電信號(hào)通矩陣電路，變換成亮度信號(hào)Y和色差信號(hào)（R-Y

17、）和（B-Y）。 （2）為抑制色度信號(hào)副載波對(duì)亮度信號(hào)的干擾，在Y通道中接入一個(gè)副載波陷波器。陷波后的Y信號(hào)經(jīng)過放大后與行、場(chǎng)同步及消隱信號(hào)相混合。 （3）色差信號(hào)（R-Y）和（B-Y）經(jīng)幅度和頻帶壓縮后，得到V、U。V信號(hào)與+K脈沖混合后與coswSCt副載波同時(shí)進(jìn)入平衡調(diào)幅器，經(jīng)平衡調(diào)幅電路輸出紅色度分量FV和色同步信號(hào)FbV分量；色差信號(hào)U與-K 脈沖混合后，對(duì)sinwSCt平衡條調(diào)幅，得到FU和色同步信號(hào)FbU分量。以上二色度分量與色同步信號(hào)分量混合后，最后得到色度信號(hào)F和色同步信號(hào)Fb。為了得到逐行倒相的正交副載波coswSCt，需要設(shè)置90移相、180倒相和PAL開關(guān)電路、逐行

18、倒相的半行頻（7.8kHz）開關(guān)控制信號(hào)jK （t）。 （4）色度信號(hào)F、色同步信號(hào)Fb、亮度信號(hào)Y與消隱信號(hào)A、同步信號(hào)S經(jīng)混合電路后輸出彩色全電視信號(hào)FBAS。 彩色全電視信號(hào)由多個(gè)信號(hào)組成，通過應(yīng)用MATLAB進(jìn)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(hào)表現(xiàn)出來。MATLAB具有很多優(yōu)勢(shì)，在以后的學(xué)習(xí)中我們還會(huì)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(xiàn) [1] 《電視原理與現(xiàn)代電視系統(tǒng)》（西安電子科技大學(xué)出版社） [2] 《電視原理與系統(tǒng)》（西安電子科技大學(xué)出版社2004-01 出版） [3] 《電視原理》中國(guó)傳媒大學(xué)精品課程教學(xué)網(wǎng)站 致謝 本次實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)了許多問題，在鞏老師以及馮偉業(yè)等同學(xué)的幫助下最終完成。謹(jǐn)在此感謝鞏瑞春老師以及其他各位同學(xué)的指導(dǎo)與幫助。