电视制式中的正交平衡调幅技术

各种彩色电视制式主要是解决如何传输色度信号的问题，解决这个问题先后产生了正交平衡调幅制（NTSC）、逐行倒相正交平衡调幅制（PAL）和逐行轮换调频制（SECAM）。

下面主要讨论正交平衡调幅制（NTSC）、逐行倒相正交平衡调幅制（PAL）。先介绍几个概念：

色度副载波——受两个色差信号分别调制的两个频率相同、相位相差90°的两个载波，相对发射机输出的主载波而言。

频谱间置技术——让色度副载波的频谱刚好落在亮度信号频谱高端空隙处的技术。

U、V信号——幅度压缩后的（R-Y）、（B-Y）信号。采用U、V信号减小了动态范围，不会超出黑白电视标准。

平衡调幅——抑制载波频率能量输出的调幅方式。

正交平衡调幅——将两个调制信号分别对两个频率相同、相位相差90°（正交）的两个载波进行平衡调幅，然后相加的方式。两个已调波相加后的信号称为正交平衡调幅信号。

（一）平衡调幅

为什么要抑制（副）载波？这是因为在一般的调幅中包含有能量较大的（副）载波，如当用一个色信号UΩcosΩt去对（副）载波Usccosωsct进行调幅时，则调幅波的关系式可表示为：

由上式可以看出，一个（副）载波角频率为ωsc被角频率为Ω调制以后，产生了三个角频率，即ωsc、ωsc+Ω、ωsc-Ω，如图3-47所示。

图3-47　普通调幅波的波形和频谱

ωsc仍是原来的（副）载波的角频率，ωsc+Ω和ωsc+Ω称为ωsc的两个边频，其中ωsc+Ω称为上边频，ωsc-Ω称为下边频。

我们知道m总是小于1的，边带的能量总小于（副）载波的能量，但真正的信息内容实际上只包含在边带波内，副载波本身不包含信息内容，对它的发送是一个很大的浪费，因此，（副）载波没有必要传送出去，如果在传送时把（副）载波抑制掉，而仅传送两个边带波，这完全不损失传送信息的内容。这种抑制（副）载波的调幅方式称为平衡调幅。

色差信号利用了平衡调幅方式，调制后的色度信号的能量显著减小，这样有几个好处：一是在彩色接收机或在黑白接收机接收彩色信号时，彩色信号对亮度信号的亮暗点干扰可显著减小；二是边带波的动态范围可以增大，从而改善了信噪比；三是如果传送信号不是彩色而是白灰色，两个色差信号为零，此时既无（副）载波，又无边带波的能量，可以完全没有干扰。

从VAM式可以简单地推导出平衡调幅波的关系为：

从上式可见，平衡调幅器相当于一个乘法器，它是信号VΩ×cosΩt和副载波cosωsct的乘积，所以已调色信号也就是色差信号与副载波“相乘”的信号。

平衡调幅信号的波形如图3-48（a）所示，它的振幅为mVsccosΩt，也就是调制信号VΩcosΩt，它的相位由调制信号的相位来决定。当调制信号从正通过零点变为负时，或由负通过零点变为正时，它的相位都要发生180°的突变，从图3-48（b）可见，平衡调幅波的频谱中，（副）载波已经被抑制掉了，这是它的最大特点。

图3-48　平衡调幅波的波形及频谱

为了分析方便起见，我们再用复数和矢量来表示一般普通调幅波的关系式为：

图3-49　普通调幅和平衡调幅矢量图

上式可用三个旋转矢量来表示，如图3-49（a）所示。

图（a）中副载波矢量Vsc以角频率ωsc在旋转，两个边带矢量分别对副载波矢量以调制角频率Ω向两个相反方向旋转。它们的矢量是对称的，两个边带波的矢量和始终沿载波矢量方向增大或减小，被调制波的相位始终没有变化。

而平衡调幅波的复数表示式则为：

把（副）载波抑制掉，则得平衡调幅波的矢量图，如图（b）所示。可见这时只有两个边带矢量在旋转。当调制信号为零时，合成矢量VBM也为零，并且合成矢量的方向始终沿着（副）载波矢量方向而变化；当两个矢量和通过零时，显然副载波相位有180°的突变。

平衡调幅和一般调幅的波形如图3-50所示。

图3-50　两种调幅波形

图3-50左图中，（a）为一般调幅波的频谱，（b）为平衡调幅波的频谱。右图中，（a）为调制信号，（b）为载波信号，（c）为一般调幅波信号，（d）为平衡调幅波信号。

表面看来，它们的波形很相似，其实它们有很多不同的性质，例如：

一是平衡调幅波的振幅与被调信号振幅无关，只由调制信号振幅决定；而普通调幅波的振幅则与二者皆有关系。当调制信号为零时，平衡调幅波的幅度为零，而普通调幅波为载频等幅震荡幅度。

二是从频率上看，平衡调幅波是不以（副）载波周期为周期的；而普通调幅波则仍是以载波周期为周期的函数。(www.xing528.com)

三是平衡调幅波在调制信号转变极性处的相位反转180°（因为这时调制信号由正半周变到负半周，或由负半周变到正半周）。当调制信号倒相时，副载波亦倒相，这是平衡调幅波的一个重要性质，而普通调幅波则没有这种性质。

四是从波形上看，虽然平衡调幅波与普通100%调幅波都有振幅为零的点，从外形上有类似之处，但是平衡调幅波在零振幅点包络的斜率不为零，而普通100%调幅波则为零。

抑制副载波的平衡调幅电路有平衡调幅器和环形调幅器等。环形调幅器实际上是一个双平衡调幅器。如果色度信号在平衡调幅器（或环形调幅器）对副载波进行平衡调幅，当没有调制电压，即没有色度信号时，也就没有副载波出现。通常色度信号的大小根据被摄景物上的彩色量而定，只有十分饱和的彩色才产生强的色度信号。因此，只有饱和的彩色部分才会出现副载波的亮点干扰图案。实际上，这种情况并不是时常出现的，故采用抑制副载波的调制方式，由于（副）载波（实际上是由于旁频）带来的干扰比使用普通调幅方式大为减小。

实用上调制电压并不经常是正弦波，而应该是随图像内容颜色变化的色度信号，假设某一行的色度信号如图3-51（a）所示。

图3-51　任意彩条图形的平衡调幅信号

这就是彩条图像的典型信号。色度信号可能是正的，也可能是负的，并且正和负部分的波形不一定相同，像普通视频波形一样，还含有直流成分。如果将这个信号输入到平衡或环形调幅器中，其输出波形将如图3-51（b）所示。

这里应该注意，当色度信号从正变负时，副载波的相位亦反相，如果被拍摄图像沿一条水平线的颜色不变，产生的色差信号亦不变，副载波信号幅度将为固定值，即只有当色信号为零时，副载波才被抑制（无瞬时值），就是说在此瞬间图像上没有颜色。

（二）正交平衡调幅

正交平衡调幅制（NTSC）传送彩色信号的特点有如下几个方面：

1.把三个基色信号进行编码，变换为亮度信号和色度信号后进行传送，以利于和黑白电视相兼容。

2.利用“高频混合原理”和“频谱交错原理”把彩色电视的频带压缩到和黑白电视所用的频带相同。

3.采用抑制副载波的正交平衡调制技术，把两个色差信号的调制简化成调制在一个副载波上，并把副载波抑制掉，以减少彩色信号对亮度的干扰。

4.根据色差信号对视力敏感的不同，采用不同带宽来进行传送，所谓I、Q方式。

上述1、2两点已在前节讨论过，这里不再重复。下面将根据正交平衡调幅制的调制特点、矢量分析图、亮度信号与色度信号幅度相对关系以及该制式的优缺点等分别进行讨论。

如前所述，用色差信号调制副载波，可以使色度信号和亮度信号的频谱错开，但是需要传送的色差信号有两个，它们一起传送也应该有所区别。虽然我们可以采用两个不同频率的副载波，但用两个副载波产生两个已调色度信号，便需占用两个不同的色度频带，因而已调色度信号对图像的干扰也会加重，并且用两个色度通道传送时，很难获得相同的传输特性，不能保证颜色的正确重现。所以在正交平衡调幅制中，采用单副载波同时传送两个色差信号的办法来解决这些矛盾，这就是这里要介绍的抑制副载波的“正交平衡调幅”方法。

既然要在一个副载波上传送两个色差信号，它们就必定要有所区别，能够分离，并且互不干扰。为此，我们先看一下两个色差信号各自进行平衡调幅时的特点，它们可用下式来表示：

图3-52　彩条信号的平衡调幅波

假如传送彩条信号时，它们的波形如图3-52所示。

从上式可见，两个色差信号的调制波方程式很相似，显然用这样一个副载波来传送两个色差信号时，它们实际上没有区别，并且在接收端也不能分离开来。为此采用正交平衡调幅方法，将两个色差信号分别调制到两个频率相同，但相位相互正交（相差90°）的副载波上。具体来说，就是把（R'-Y'）信号调制在相位为cosωSt的副载波分量上，而把（B'-Y'）信号调制在相位为sinωSt的副载波上。于是两个互相正交的平衡调幅波变为：

可见，正交平衡调幅是一种双重调制，它是一个既调幅又调相的波形，它的振幅|C|决定了彩色的饱和度，而相角φ决定了彩色的色调。用矢量表示正交平衡调幅波的特点如图3-53所示。

图3-53　正交平衡调幅矢量图

图中两个平衡调幅波的矢量C1和C2可合成为一个合成矢量C，其振幅受两个调制电压（R'-Y'）和（B'-Y'）的影响。由此可见，传送两个色差信号相当于传送矢量C和相角φ，即相当于传送饱和度和色调，这样，与亮度信号一起，颜色三特性（三个参数）就间接被传送了。

在NTSC制彩色电视中，两个色差信号是对副载波信号进行正交平衡调幅后和亮度信号相加的，并规定U（B-Y）信号调制的副载波为sin（ωsct），V（R-Y）信号调制的副载波为cos（ωsct），两个已调波分别用Fu和Fv表示为：

Fc称为色度副载波信号，是一个既调幅又调相的正弦波，幅度随U、V变化，相位随V/U变化。

色度信号的幅度包含了大部分饱和度信息，相角arctanv/u包含了小部分饱和度信息和全部的色调信息。

正交平衡调幅电路如图3-54所示。

图3-54　正交平衡调幅电路

色度信号与亮度信号复合形成彩色全电视信号，其复合过程如图3-55所示。

图3-55　复合信号形成