亮度信号与色差信号的区别

三基色信号的形成是彩色电视信号形成的基础，彩色电视信号形成充分利用了色度学原理和人眼对彩色视觉的一些特点，着力解决彩色信号形成的两个关键问题：一是兼容性问题；二是频带压缩问题。所谓兼容性，它必须具备以下基本要求：

第1占用和黑白电视相同的频带。

第2伴音和图像载波必须与黑白电视相同。

第3采用同样的扫描频率。

第4采用同样的行、场同步信号。

第5包含一个基本的亮度信息，当传送同一景物时，它与黑白电视的图像（视频）信号相同。

第6含有附加的彩色信息，它是用一个辅助信号传输，以便于在接收机中将它和亮度信息分开。

第7彩色信息的传送方式应不会在黑白电视接收机屏幕上产生可见的干扰信号。

如果利用三个黑白电视图像通道来传送彩色电视的三基色信号，显然达不到上述第1项要求，因为这时必须占用3×6MHz=18MHz的带宽，由此产生一个如何节约频带的问题；第2、3、4项要求是显而易见的，无须多作解释；第5项要求表明，彩色电视可以进一步将三基色的信息，分出一个只代表图像各像素亮度变化的信号来传送，而这个信号和黑白电视图像信号是一致的。这就是说，我们不要逐一传送三个基色信号，而将这些信号重新组合编排（这个过程叫做“编码”），选出一个只代表图像亮度变化的亮度信号，它和黑白电视图像信号一致，其余的编为色度信号，在彩色电视接收机内，也相应分成亮度通道和色度通道。这样，彩色电视广播时，其中的亮度信号完全能由黑白电视接收机作为它的图像信号来接收，以解决兼容问题，而将彩色电视接收机的色度通道“关闭”，其亮度通道也完全能接收黑白电视广播节目，以解决逆兼容问题。

但是，仅亮度一个信号就已占用了6MHz带宽，因此，为了满足条件第1项，就要设法把色度信号也要挤进同一频带中去，幸好，这一要求是可以实现的。它利用了视频信号的频谱特性和人眼的生理特点，即采用“频谱交错原理”和“大面积着色原理”。至于第6、7项，留待后面再讨论（正交平衡调幅、频谱间置）。

为实现兼容彩色电视不直接传送三个基色信号，而传送携带亮度信息的亮度信号和携带色调和饱和度信息的两个色差信号。

亮度信号就是黑白图像信号（视频信号），我国采用PAL制，视频带宽为0MHz～6MHz。

兼容制彩色电视都采用NTSC制的亮度公式：y=0.30R+0.59G+0.11B。这就是常用亮度公式，是亮度信号的表达式，它由红、绿、蓝三基色按0.30：0.59：0.11的比例给出。在显像管中，其激励电压也按此比例提供：Ey=0.30Er+0.59Eg+0.11Eb。

（一）编码矩阵

矩阵电路是一种能将n路输入信号各按一定比例相加或相减而得到一个或n个不同输出信号的电路。

在彩色电视系统里，将R、G、B三基色信号变成Y、R-Y、B-Y信号的矩阵电路称为编码矩阵。如图3-30所示。

图3-30　三基色信号变换

用电阻构成的编码矩阵如图3-31所示。

图中：R1～R9为矩阵电阻，R0为输出电阻。

Y=0.30R+0.59G+0.11B，R-Y=0.70R-0.59G-0.11B，B-Y=-0.30R-0.59G+0.89B。

（二）亮度信号

亮度信号包括图像信号、复合消隐信号、复合同步信号，又称为黑白全电视信号。

1.图像信号

图像信号是携带景物明暗信息的电信号。

（1）特点与波形

电视图像信号是一系列电脉冲，电平大小与像素亮度成比例，有正极性和负极性之分。图像信号是由摄像管将明暗不同的景象经过电子扫描和光电转换而得的按时间排列的强弱不同电信号，扫描规律为从上到下，从左到右。一般来说，图像信号是随机的，一行图像信号波形是随时间变化的电压波形。

图像信号具有以下两种特点：单极性和脉冲性。

单极性是指图像信号的高低电平不对称于平均电平，最低电平不低于0。

脉冲性是图像信号经常出现上、下跳变沿，反映图像内容上的亮暗突变。它往往出现在景物中物体边缘等细节部分，它对应图像信号频谱中的高频成分。

对应景物中最黑部分的图像信号电平称为黑电平，对应景物中最白部分的信号电平称为白电平。就图像信号的电平高低与所反映图像亮暗的对应关系区分，图像信号有正极性和负极性两种。白电平高、黑电平低的图像信号称为正极性图像信号；反之，黑电平高、白电平低的图像信号称为负极性图像信号。一个5级灰度条画面及正、负极性图像信号波形如图3-32所示。

图3-31　电阻矩阵

通常，将从黑电平到白电平的范围称为图像信号的峰-峰值。在播送端的摄像、录像等设备，其输入、输出的图像信号规定均为正极性，幅度即峰-峰值为0.7V（终接75Ω电阻）。

（2）频带与频谱

频带即带宽，是图像信号最高频率与最低频率的差值，B=fmax-fmin。

1）图像信号的最低频率

图像信号是单极性的，其平均电平不为零，它对应于图像的平均亮度。当传输静止画面时，图像信号的平均电平即直流分量是个恒定值，可称为零频分量。因此，fmin=0。其实即使是活动画面，平均电平的变化也是很慢的，基本接近于0。

2）图像信号的最高频率

要计算最高频率，应该先了解电视系统分解力的概念。

所谓电视分解力是指电视系统分解与恢复图像细节的能力。电视系统分解力越强，对应于图像细节的信号跳变沿越陡，信号包含的最高频率也越高，所以图像信号的最高频率与电视系统的分解力有密切关系。在电视系统中，沿画面垂直方向分解图像细节的能力称为垂直分解力；沿画面水平方向分解图像细节的能力称为水平分解力。图像信号包含有丰富、精细的景物信息，其对电视系统的分解力要求很高。出现最高频率的图像如图3-33所示。

图3-32　灰度条图像信号及波形

电视系统的垂直分解力用沿画面垂直方向所能分解的黑白相间条纹数表示，单位为TVL（电视线）。

理想垂直分解力是指电视图像垂直方向的条纹总数，也是电视系统最大的垂直分解力，它等于电视有效扫描行数。例如：625/50标清电视系统中，有效扫描行数Z'=575行，故该电视系统的理想垂直分解力为575TVL，也就是说垂直方向最多能显示575条黑白相间条纹。

图3-33　出现最高频率的图像

图3-34　不同垂直分解力示意图

实际垂直分解力一般要小于有效扫描行数，因为摄像器件或者电子束扫描行不一定正好落在图像黑白条上，往往会覆盖到一部分黑条和一部分白条，所以分解力会降低，如图3-34所示。

实际垂直分解力M'=Kev·Z'=Kev·Z（1-β），式中Kev称为垂直凯尔系数，0.5＜Kev＜1。一般取Kev=0.65～0.75。β=0.08为帧逆程系数。

对于我国625/50系统，取Kev=0.75，因此实际垂直分解力可认为：

M'=Kev·Z'=Kev·Z（1-β）=431TVL

另外，假设播送的图像是一场向上移动一个扫描行的距离，在这种情况下，奇偶场的扫描行就不能分别对准黑白条纹了，垂直分解力将明显下降。因此，隔行扫描对垂直分解力也有较大的影响，主要是对于在垂直方向有移动的细节容易产生“视见并行”。所以严格说来，采用隔行扫描的电视系统在计算实际的垂直分解力时，还要乘上一个小于1的隔行扫描系数，通常取0.7。

②水平分解力

电视系统的水平分解力用沿图像水平方向所能分解的像素数或黑白相间的竖条纹数来表示，单位为TVL。

影响电视系统水平分解力的因素有三个：摄像器件沿水平方向的光电转换单元（像素）数，视频通道的通频带，显示器件在水平方向所能重现的像素数。

水平分解力越高，图像的清晰度会相应提高，但是若水平分解力太高，图像信号的带宽太宽，必然会增加信号传输的难度和电视设备的复杂性。最适合的水平分解力指标是：

N=（IH/IV）M

式中，N为水平分解力，M为垂直分解力，IH/IV为画面帧型比。

例如：当理想垂直分解力M=575TVL，IH/IV=4/3时，则理想水平分解力为

N=（IH/IV）M=（4/3）×575=767TVL

③带宽的计算

根据前面的分析可以知道，图像信号的带宽应该近似等于图像的最高频率。假设电视系统的行频为f H，则图像信号的最高带宽B=Δf：

代入我国标清电视的参数：Z=625，fF=25，lH/lV=4/3，β=0.08，α=0.1875，得到理想水平分解时图像信号的最高频率fmax≈7.37MHz。

当水平分解力为104TVL，因为行扫描正程时间THt=52μs，此时扫描相邻两条黑白条纹的时间为1μs，故此时图像信号的最高频率fmax=1MHz。

理想水平分解力767TVL要求的通频带约为767/104≈7.37MHz。

考虑到帧型比为4：3，若用与垂直分解力相同的标准来表述，折合后为104×3/4=78TVL，所以在有些资料中说1MHz带宽给出80线的水平分解力，即是指大约为80线。其确切含义是指1MHz通频带能显示出104条黑白相间、调制度为100%的竖条。当实际垂直分解力为（431×4/3）≈575TVL时，对应的视频通频带宽度为（575/104）≈5.5MHz。

我国标清电视系统规定的通频带Δf=6MHz，它和理想水平分解力所对应的图像信号最高频率fmax（7.37MHz）的关系是

Δf=KeH·fmax=0.81fmax

式中，KeH为水平凯尔系数。

由于水平凯尔系数稍大于垂直凯尔系数，所以我国标清电视系统的水平分解力稍大于垂直分解力。

3）图像信号的频谱

电视图像信号的频谱是指在它的频带内所包含的频率成分及各频率成分间的相对幅度。电视图像的频谱是随着图像内容变化而变化的，但由于电视系统扫描是一行一行、一场一场进行的，且相邻行相邻场之间在内容上又存在一定的相关性，因此图像信号具有一定的行场的周期性，致使电视图像信号的频谱分布具有一定的规律。

①静止图像信号的频谱

a.只在水平方向有亮度变化的静止图像。假设图像为黑白相间的竖条纹，只在水平方向有亮度变化而垂直方向无亮度变化，则每行的图像信号都相同，如图3-35所示。

图3-35　只在水平方向有亮度变化的静止图像的频谱图

若不考虑场消隐和场同步，信号只有行周期性而无场周期性和帧周期性，也就是说只在nfH处有能量。n值越大，表示谐波次数越高，反应图像的细节越精细。由于图像内容本身固有的特性，譬如：图像细节一般较少，且细节的亮度和对比度也较小，摄像机对图像分解的像素数有限以及传输通道的幅频响应不够理想等因素，一般n值越大，幅度值通常越小。我国视频带宽为6MHz，允许通过的最高谐波次数为n=6×106/15625=384。在n接近384时，图像信号频谱的能量实际已降至接近于0。(www.xing528.com)

b.在垂直方向也有亮度变化的静止图像。频谱成份为nfH±mfV，其频谱分布是离散谱线簇（谱线群），主谱线为nfH。特点是信号能量集中在行频fH及其各次谐波nfH的主谱线上，一般能量随n增大而衰减。在每个主谱线两旁存在着场频及其谐波的许多副谱线。一般随m增大副谱线能量很快衰减，如图3-36所示。

图3-36　在垂直方向也有亮度变化的静止图像的频谱图

c.垂直方向有细节变化的静止图像。垂直方向有精细细节变化时，两场信号会有差异，其信号波形以帧为周期重复，故频谱应为nfH±mfF（fF为帧频25Hz）。由于垂直方向内容有不小的相关性，所以，帧间差引起奇数倍成分相对较小，如图3-37所示。

图3-37　垂直方向有细节变化的静止图像的频谱图

静止图像信号的特点在于它有着严格的行周期性和场（或帧）周期性。至于运动图像，如果从图像内容及其运动方向和速度的随机性看，图像信号的上、下行和前、后场（或帧）波形都会不一样，将失去任何周期性，此时的信号频谱将如何呢？实际的景物画面，只要不是特意绘制成的在水平和垂直方向布满精细细节的测试图案，普通画面总是以大面积景物为主，包含不多的细节量，基本上在水平和垂直方向仍保持有大的相关性。另外，通常景物的运动速度不会太快，一个帧周期（40ms）内景物不会在画面上偏移较大的距离，也即相邻帧的信号波形不会有重大区别。因此，对通常的实际图像而言，其信号仍具有准周期性，频谱结构不会与上述结构有很大差异。

可以认为，随着景物运动而在nfH两旁的±fV（或±fF）依时间作左右不断摆动。此时，相邻副谱线之间将不存在50Hz（或25Hz）的小空白间隔，近乎是填满的、连续的了，如图3-38所示。

图3-38　运动图像信号的频谱图

对于一般速度运动的物体，形成的帧周期信号波形表现为随运动情况在副谱线两侧的连续频谱。因电视图像相邻行间相关较大，因此以行频及其各次谐波为中心的相邻群之间有信号能量的空白区。

总而言之，图像信号频谱的分布呈离散而又成群（或称为梳状结构），能量主要集中于行频及其谐波为主谱线的附近，而且谐波次数n越大，谱线的幅度即能量越小。在每群谱线之间〔即在（1/2）fH奇数倍的周围〕有近（1/3～2/3）fH的空隙，而且频率越高，空隙越大。这一带宽的空隙将在彩色电视中得到利用。我国的模拟彩色电视制式，就是将图像的色度信号频谱搬移到高处，并插入亮度信号（即此处所说的黑白图像信号）频谱的空隙内传输的。这样，可以充分利用原有的黑白电视视频带宽，做到色度信号与亮度信号共用一个频带传输而不必增大彩色电视信号的频带宽度，达到与黑白电视兼容的效果。

2.复合消隐信号

复合消隐信号是脉冲信号，包括行、场消隐脉冲，其作用是给电子束行、场扫描逆程提供足够的时间，并在该期间内截止扫描的电子束，因此，行、场消隐期间没有图像信号，只有一个能使电子束截止的固定电平。全电视信号中有了复合消隐脉冲，显像管荧光屏将看不到行场扫描回扫线。行消隐脉冲抑制行逆程期间的电子束，场消隐脉冲抑制场逆程期间的电子束。显然，全电视信号中，消隐电平应与图像信号的黑电平一致，或比它更“黑”一点。

在我国的标清模拟电视标准中，行消隐脉冲的标称宽度为12μs，周期为64μs；场消隐脉冲的标称宽度为25TH+12μs=1612μs（TH为行周期，64μs），周期为20ms。复合消隐脉冲的周期为40ms。消隐电平与黑电平之间有0mV～50mV，一般称为肩电平提升，如图3-39所示。

图3-39　复合消隐脉冲波形图

3.复合同步信号

电视系统中发送端的摄像器件和接收端的显像器件中的扫描应该完全同步，否则，图像信号就不能正常显示。黑白图像信号只有图像的亮度信息，并没有同步信息，如果直接将它输出给显示器件是无法正确显示图像的。要显示图像，必须要有同步信息。

复合同步信号也是脉冲信号，包括行同步脉冲和场同步脉冲，它是电子束扫描同步的控制指令。

行、场同步脉冲的作用：指示电子束开始行场扫描逆程的时间，因此，行同步脉冲一行一个，场同步脉冲一场一个。

行、场同步脉冲的宽度：行同步脉冲的宽度为4.7μs；场同步脉冲的宽度选为160μs，等于2.5倍的行周期（2.5TH）。

行、场同步脉冲的位置：在行、场消隐期，叠加在行场消隐脉冲上，同步脉冲顶所处的电平称为同步电平，如图3-40所示。

图3-40　行同步脉冲和行消隐的叠加

当全电视信号的幅度规定为1.0V时，同步脉冲的幅度占0.3V。行、场同步的前沿表示新的一行或一场信号的开始。为了保护行同步前沿，行同步脉冲的前沿要比行消隐脉冲前沿滞后1.5μs，通常将这1.5μs称为行消隐前肩。这样可以避免行同步前沿受到图像信号电平变化的影响。为了与之对称，将行消隐后面的5.8μs称为行消隐后肩。同理，场消隐脉冲中在场同步之前的部分叫做场消隐前肩，等于（160+1.5）μs。在场同步之后的部分叫做场消隐后肩，等于20TH+5.8μs。在场消隐和场同步期间行同步也不能丢，以保证在场正程开始时，行扫描的同步锁定。

设想的复合同步信号存在两个问题。

（1）一个是场同步脉冲期间没有行同步信息，不能保证行扫描电路始终受控，如图3-41所示（采用加入槽脉冲的方法来解决）。

图3-41　设想的复合同步信号波形

（2）由于奇、偶两场场同步前沿和前面的行同步距离不同，造成在用积分电路分离场同步时，两场积分波形（因起始电位不同）不一致，使两场回扫起始时间有差异，影响两场光栅的精确镶嵌，如图3-42所示（采用加入前均衡脉冲的方法来解决）。

图3-42　设想复合同步的场分离

为了使场同步脉冲期间不丢失行同步信息，采取了在场同步宽度内每隔半行开一个凹槽（称其为槽脉冲）的措施，每个场同步脉冲期间形成5个槽脉冲。每个槽脉冲宽度规定为4.7μs，即等于行同步脉冲的宽度，并规定槽脉冲的后沿与行同步前沿对应。场同步开槽后相对于槽脉冲而凸起的脉冲称为齿脉冲，其宽度为27.3μs。并规定：第一个齿脉冲的前沿（即场同步前沿）作为一场起始的基准时刻，标记为“0v”，若该前沿又是一行的起点时，则该前沿即为奇数场的起点。经312.5行的奇数场之后，又出现一个场同步前沿“0v”，它在第313行的中间，为偶数场的起点，后面的312.5行为偶数场的全电视信号，如图3-43所示。

图3-43　实际的复合同步脉冲

采用前均衡脉冲后，使奇、偶场同步脉冲前沿与其前面行同步脉冲之间的距离变小了，这样奇、偶场场同步脉冲在积分电路上输出波形的差别变得很微小，不会影响隔行扫描性能，使两场光栅能精确镶嵌。前均衡脉冲每半行设置一个，在场消隐前肩2.5TH期间，行同步换成半个行周期一个，每个宽度为2.35μs。这样设置主要是为了使这段时间里奇、偶场都保持有行同步信息的同时，让两场场同步周围的波形保持一致，提高隔行扫描性能。对于两场中真正起行同步作用的脉冲用“↓”符号表示。前均衡脉冲的宽度定为2.35μs，是为了使两个脉冲的宽度加起来仍等于一个行同步脉冲的宽度，从而使积分电路的充放电总量一致。另外，在场同步脉冲之后也安置了5个后均衡脉冲，其参数与前均衡一样，它只是一种为了跟前均衡相匹配的对称型摆设，并无实际用处。

同步信号一般由同步机产生，它们是行推动信号HD和场推动信号VD，复合同步信号S和复合消隐信号BLK，场识别脉冲FLD。

产生同步信号的同步机应该具有下面几个功能：

实现上述各同步脉冲间严格的频率关系，然后用它来形成各种形状的同步脉冲，称为定时部分。

由定时部分来的信号形成上述种种规定波形的标准的同步脉冲，并保证它们有严格的时间相位关系。把这一部分叫做同步脉冲形成部分。

把产生合乎标准的同步信号放大到规定的幅度，并能负荷低阻负载馈送给需要点。这由脉冲分配放大器来实现。

各种同步脉冲波形如图3-44所示。

图3-44　各种同步脉冲波形图

在电视信号中以消隐电平为界，图像信号和同步信号分布两边。对于正极性信号，消隐电平一般为0，图像信号高于消隐电平，消隐电平到白色电平的额定值为0.7Vpp。同步信号低于消隐电平，额定值为0.3Vpp。从同步电平到白色电平为1Vpp。

为了实现准确的隔行扫描，行频fH与场频fV的关系应为：fH=312.5fv，即2fH=625fv。行频、半行频和场频等几种频率的信号可由二倍行频2fH信号经分频取得。因此，在同步机中应有一个基准频率振荡器产生频率为2fH整数倍的时钟信号，再由它经分频得到2fH、fH及fV，如图3-45所示。

图3-45　同步机框图

除了上述信号外，从分频器中还可得到所需要的各种门控脉冲，供形成各种输出脉冲定时用。因为时钟信号和门控脉冲都属于定时信号，所以基准频率振荡器和所有分频器都属于定时部分。时钟信号的频率越高，用于定时形成的各种脉冲的宽度和相对位置越精确。

定时部分输出的2fH、fH及fV脉冲和门控脉冲，在脉冲形成电路中控制时钟脉冲的计数时间，产生图3-45中所示的7种脉冲。

在模拟彩色同步机中设置了PAL耦合器，使副载波振荡器与基准频率振荡器互相锁定，以保证fsc=283.75fH+25Hz的关系。从fsc=283.75fH+25Hz可以导出以下公式：

4fsc=1135fH+2fV→4fsc-2fV=1135fH

根据后面关系式构成的锁相环路就是一种PAL耦合器，如图3-45所示，减2fV电路在分频电路前。

4.亮度信号波形

实际的亮度信号波形如图3-46所示。

图3-46　实际的黑白全电视信号波形图

关于亮度信号需要进行如下说明：

（1）亮度信号的场序是按奇、偶两场顺序循环的，奇数场（第一场）的起始为带有行同步前沿信息的场同步前沿，偶数场（第二场）的起始为不带有行同步前沿信息的场同步前沿。

（2）亮度信号的行序号（简称行序）不是按图像上实际行的位置编号，而是按扫描顺序编号，即以信号的时序作为行序标准。规定奇数场场同步前沿为一帧第1行的开始，行序自此处起计数。计数到第312.5行，即第313行的中点，是该场结束，即偶数场的起点，那里也是偶数场场同步的前沿。行序接着往下计数，直至第625行，完成一帧。由此看出，所谓每帧的第l行，并非是奇数场场扫描正程中显示在光栅顶部的首行，它是隐匿于场消隐期内的，而奇数场内重现出图像的首行应是第23行的后半行。

（3）在场消隐脉冲后肩上，除5个后均衡脉冲外，还有17行“空闲”着，可利用来安插多种其他信息。诸如插入测试行信号、台标信号、标准时间、标准频率、业务数据和图文电视信号等。

（三）色差信号

在彩色电视信号中，色差信号代表色调和饱和度。

色差信号的选择原则如下。

a.色差信号不含亮度信息。

b.色差信号必须由R、G、B三个基色信号按一定比例组合而成，而且能与基色信号方便进行线性转换。

c.色差信号与亮度信号之间必须线性无关。

按此原则选定R-Y和B-Y作为色差信号，表达式分别为：

R-Y=0.7R-0.59G-0.11B

B-Y=-0.3R-0.59G+0.89B

R-Y称为红色差信号，B-Y称为蓝色差信号，统称为色差信号。

为什么不选择G-Y呢？因为它不是独立的，可从Y、R-Y、B-Y中导出，即在三个色差信号中只有两个是独立的，它们之间的关系为：

（R-Y）=－（0.59/0.30）（G-Y）－（0.11/0.30）（B-Y）

（B-Y）=－（0.30/0.11）（R-Y）－（0.59/0.11）（G-Y）

（G-Y）=－（0.30/0.59）（R-Y）－（0.11/0.59）（B-Y）

三个色差信号中，G-Y信号数值比较小，作为传输信号对改善信噪比不利。若传输（R-Y）、（B-Y）信号，在终端只要利用简单的电阻矩阵就能得到（G-Y）信号。因此，在彩色电视中选用Y、（R-Y）、（B-Y）作为传输信号。

在接收端，先根据（R-Y）和（B-Y）得到（G-Y），再将三个色差信号分别与亮度信号相加，就得到了恢复重现图像所需的三个基色信号：

（R-Y）+Y=R，（B-Y）+Y=B，（G-Y）+Y=G。

通常，在发送端由R、G、B三基色信号生成Y、（R-Y）、（B-Y）、在接收端由（R-Y）、（B-Y）生成（G-Y）、由（R-Y）、（B-Y）、（G-Y）还原为R、G、B的过程，可通过矩阵电路实现。