1、電 視 原 理運用MATLAB學習彩色全電視信號的編碼、解碼及頻譜分析院系： 專業： 姓名： 2011年6月5日編碼及其頻譜分析【摘要】MATLAB是由美國mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，算

2、法開發、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境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。Simulink®是用于動態系統和嵌入式系統的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統，Simulink提供了交互式圖形化環境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執行和測試。.【關鍵字】：MATLAB 、Simulink、信號處理、數據分析PAL制彩色電視編碼原理：PAL是英文（逐行倒相）Phase Alte

3、rnation Line 的縮寫。所以按照其特點PAL制又可稱之為“逐行倒相正交平衡調幅”制。PAL制彩色全電視信號由亮度信號、色度信號、色同步信號、復合消隱信號和復合同步信號組成。經過圖象信號處理后的三基色信號和各種同步信號同時送入PAL編碼器，經過一系列的處理加工后，即可形成PAL制彩色全電視信號。具體過程如下：校正的三基色信號R、G、B由矩陣電路變成亮度信號Y、藍色差信號（BY）和紅色差信號RY。在亮度通道中，設置有副載波陷波器和延遲線，前者是為了減少進入接收機色度通道的亮度串色，后者是為了均衡色度信號因頻率受限而在時間上產生的延遲。通過陷波器和延遲線的Y信號，再經放大、鉗位等處理電路，

4、并混入復合消隱信號（BL）和復合同步信號（S）后，便形成黑白全電視信號（VBS）。色度通道里，（RY）、（BY）先經帶寬（1.3MHz）限制，并壓縮為V、U信號，再由鉗位電路鉗定零電平，然后進入平衡調幅器，變成紅色度信號和藍色度信號，兩者相加并經低通或者帶通濾除調制中產生的諧波之后，形成色度信號F。色度信號F、色同步信號Fb、亮度信號Y與消隱信號BL、同步信號S經混合后輸出彩色全電視信號FBAS。PAL制編碼方框圖：MATLAB編碼仿真的編碼電路：一、兼容制傳送方式1、要實現彩色與黑白電視兼容，彩色電視要滿足以下基本條件：（1）彩色電視信號必須包含一個亮度信號，即黑白全電視信號； （2）必須包

5、含彩色信號，它僅代表色度，可與亮度信號迭加在一起傳送。在接收端又可以被分開，同時二者互不干擾。（3）彩色電視必須與黑白電視具有相同的基本參量。如掃描頻率、方式、帶寬、同步信號組成、圖像載頻、伴音載頻及圖像、音的調制方式。2. 高頻混合原理。謂高頻混合原理，是指在彩色電視的傳輸中，利用人眼對彩色細節分辨力低于對亮度細節分辨力的特性， 將色差信號采用4 窄帶傳送，而亮度信號采用寬帶傳送。在接收端，基色信號也只恢復規定帶寬以下的低頻分量。反映在畫面上，是重現彩色圖像的粗線條，即大面積的色調，而圖像的細節，即高頻成份則由同一亮度信號的高頻分量代替，這就是高頻混合原理。3.頻譜交錯原理 色差信號的頻帶雖

6、經壓縮， 但由于彩色電視信號中的亮度信 號頻譜已占用 6MHZ 帶寬，因而只有設法將色度信號的頻譜插到 亮度信號頻譜的間隙，使色度信號不占有額外的頻帶，才能做到 彩色電視信號只占 6MHZ 的頻帶范圍，從而滿足與黑白電視兼容 的條件。 二、亮度與色差信號為了實現兼容，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R、G、B三基色。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。紅基色信號（R）、綠基色信號（G）、藍基色信號（B）可按這個比例混合，可

7、獲得一個亮度信號（Y），即亮度方程式為：Y=0.30R 0.59G+ 0.11B1、亮度信號產生：R、G、B、Y：2、色差信號（R-Y）、（B-Y）的產生：R-Y、B-Y：三、色度信號與色同步信號色差信號的頻帶雖經壓縮，但由于彩色電視信號中的亮度信號頻譜已占用6MHZ帶寬，因而只有設法將色度信號的頻譜插到亮度信號頻譜的間隙，使色度信號不占有額外的頻帶，才能做到彩色電視信號只占6MHZ的頻帶范圍，從而滿足與黑白電視兼容的條件。色度信號不能直接簡單與亮度信號疊加，因為這樣做的話色度信號的頻譜將與亮度信號頻譜重合，產生嚴重的干擾。可采用的方法是，選擇一個合適的載頻，通常稱為副載波，以fsc表示。亮度

8、信號頻譜與色度信號的頻譜是互相交錯的，如下圖所示：采用正交平衡調幅制處理色差信號的過程相關電路圖如下：壓縮后的色差信號分別為：U=0.493（B-Y）V=0.877(R-Y)色度信號Fv和Fu的形成：Fu=UsinSCtFv=VcosSCt這兩個平衡調幅信號頻率相等,相差90°,保持著正交關系,將二者相加便得到正交平衡調幅的色度信號：F=UsinSCt+VcosSCtF常被稱為已調色差信號或色度信號，壓縮后的色差信號V與+K脈沖混合后與+cossct副載波同時加入平衡調幅器，經平衡調幅電路輸出已調色差信號+Fv和色同步信號的Fbu分量；色差信號U與-K脈沖混合后，對sinsct平衡調

9、幅,得到已調色差信號Fu和色同步信號Fbu分量。以上二色度信號分量與色同步信號分量混合后，得到色度信號F和色同步信號Fb。為得到逐行倒相的正交副載波+cossct，需設置90°移相、180°倒相和PAL開關電路、逐行倒相的半行頻（7.8kHz）開關控制信號。運用MATLAB仿真得到V和U再進行平衡條幅波形如圖所示：從上到下依次為U Fu V Fv四、色同步信號Fb的形成由于PAL制中對V色度分量即FV進行了逐行倒相, 所以在接收端還要使逐行倒相復原。因此, 要由色同步信號提供一個識別信號, 用它來保證收、發兩端的逐行倒相開關(PAL開關)步調一致, 即同步。 色同步信號是由

10、8-12個副載波周期組成的一小串副載波群，其出現周期與行周期相同，且位于行消隱的后肩上，電路如下圖：色同步信號前沿滯后行同步脈沖前沿5.6us，色同步信號的幅度與行同步脈沖幅度相等五、全電視信號FNAS的形成色度信號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。此FBAS信號是色差信號進行幅度壓縮形成U、V色差信號后, 由已調的紅、藍兩個色度分量疊加形成色度信號, 再與亮度、 同步、消隱等其它信號混合而成。MATLAB仿真FBAS電路和FBAS波形和各分信號波形如圖所示：圖中從上到下一次是：FBAS F+Fb Y+A+S F Fb彩色圖像信號包括

11、亮度信號與色度信號。從頻域來看, 亮度信號與色度信號頻譜交錯 從時域來看, 色度信號疊加在亮度信號電平上, 它們疊加后的信號波形如圖圖1-18所示。它們與掃描所需的同步信號、 色同步信號以及消隱信號合成了彩色全電視信號(即FBAS), 再去調制圖像載波。 我國彩色電視標準中規定, 采用負極性調制。 負極性亮度信號仍以掃描同步電平最高為100%, 黑電平為76%, 白電平最低為20%, 以便于增大色度信號不失真的動態范圍編碼過程中的各信號的頻譜分析所謂頻譜，就是電信號的能量按頻率分布的曲線。全電視信號的頻譜，應是它所包含的主體信號與輔助信號的頻譜之和。編碼頻譜分析就是對MATLAB仿真電路中的R

12、信號、G信號、B信號、亮度信號Y和消隱信號A、色度信號、色同步信號F、同步信號S和FBAS信號的各個頻譜進行分析的過程。MATLAB編碼頻譜分析仿真電路如圖所示：1、亮度信號Y的頻譜分析亮度信號Y的頻譜分析圖如下圖所示：由圖可看出亮度信號是含有直流成分，亮度信號的主要參數有相對幅度、 飽和度和頻帶寬度，亮度信號與色差信號頻譜波形相似, 只是幅值不同而已。放大后可以看到它的主譜線和副譜線。2、色差信號R-Y和B-Y的頻譜分析 （1）色差信號R-Y的頻譜分析圖如圖所示：由圖可看出色差信號是交流信號（2）色差信號B-Y的頻譜分析圖如圖所示：由圖可看出色差信號是不含有直流成分，是交流信號，奇對稱。在不

13、計較顯像管失真及傳輸系統非線性失真的情況下還可以證明色差信號受到干擾時，將不影響亮度信號，也不反映到圖像的亮度上。3、色度信號F、Fu和Fv的頻譜分析（1）色度信號F的頻譜分析圖如圖所示：（2）色度信號Fv的頻譜分析圖如圖所示：由圖可看出色度信號是不含有直流成分的，色度信號的主要參數有相對幅度、 飽和度和頻帶寬度，色度信號的頻譜圖, 代表各彩條的色度信號的振幅和相位, 不同色調的矢量處在平面不同位置上，雖然被傳送的彩色都是100%飽和度, 但色度信號的長度不盡相同，只有互補的兩個彩色矢量長度是相同的, 因為互補的二色相加應為白色, 即此二色的色度信號矢量之和應為零。色調相同而飽和度不同的彩色,

14、 其色度信號的初相角不變。4、全電視信號FBAS的頻譜分析全電視信號FBAS的頻譜分析圖如圖所示：從圖中可以看出基波頻率為15625行頻，它是視頻單極性信號, 既有直流成分, 又含有交流成分, 且是上下不對稱的信號, 占有06MHz的頻帶寬度。對靜止的圖像而言, 其電視信號以幀為周期重復, 其場間、行間相關性也較大 對活動圖像而言, 則可說是幀間、 行間相關性較大的非周期信號, 但其同步與消隱信號仍是周期性的。解碼及其頻譜分析PAL制解碼器及解碼過程：把彩色全電視信號還原成三基色電信號的過程稱為解碼，解碼是編碼的逆過程。它將色度信號分離為FU和±FV 兩個色度分離。PAL制解碼器框圖

15、及各波形：MATLAB仿真的解碼電路如圖所示：具體解碼過程分析如下： 一、 （Y+A+S）與（F+Fb）的分離從預視放輸出的彩色全電視信號FBAS，經過4.43MHz陷波器和色度帶通濾波器進行頻率分離，將FBAS分離成亮度信號色度信號兩部分。 （1）、用頻率分離的方法將FBAS分離為亮度信號、 復合同步信號（Y）與高端的色度信號(A)、 色同步信號（S）。 在亮度通道中，經4.43MHz的陷波器，將彩色全電視信號中的色度信號濾除，保留亮度信號。濾除了色度信號后的亮度信號Y，經0.6秒的延遲電路延時后再送入Y信號放大器進行亮度放大，后送基色矩陣電路。如圖： 仿真電路如圖：（2）、用時間

16、分離的方法, 將色度信號F和色同步信號Fb分開，在色度通道前，設置有一中心頻率為4.43MHz，帶寬約為2.6MHz的帶通濾波器，它從全電視信號中分離出色度信號。用一個帶通濾波器, 其通頻帶的中心頻率也為色副載波, 并具有色度信號占有的帶寬, 從彩色全電視信號中選出色度信號。用MATLAB連接仿真電路及波形分別如圖所示：FBAS F+Fb Y+A+S F Fb 頻域相同但時域錯開的色度與色同步信號，經色同步選通電路，將色同步信號與色度信號分開。由于色度信號在行掃描正程出現，色同步信號在行逆程出現，故只要用兩個門電路，就可將二者按時間分離法進行分離。這兩個門電路在控制脈沖控制下交替導通即可實現兩

17、種信號的分離二、 梳狀濾波器分離色度信號原理       梳狀濾波器的任務是將色度信號中的兩個分量FU與±FV分離。由此可以有效地分離開兩個色差分量FU和±FV。如圖：PAL制的特殊電路是梳妝濾波器，由它完成獎色度信號中的兩個分量Fu與+Fv分離。這樣可有效地消除簡單解碼電路中未能解決的亮、色串擾。仿真電路如圖：三、用頻率和相位雙重分離的方法, 將色度信號中的兩個正交分量U、 V信號分開為了使梳狀濾波器能有效地分離兩個色度分量，延時線的延遲時間要有準確的數值，即延時后色度信號的副載波相位要與延時前相同或相反（相位差

18、為0°或180°），以實現相鄰兩行色度信號相減或相加時能分別輸出兩色度分量之一。色度信號經延時解調器, 也稱梳狀濾波器分離出兩個色度分量Fu和±Fv由于利用超聲玻璃延時線, 來實現紅、 藍兩色度分量的分離, 因此, 稱作延時解調器。 又由于延時解調器的幅頻特性是梳狀的, 故又稱作梳狀濾波器,方框圖分別如下: 設第n行的色度信號為Fn=U sinSCt+V cosSCt 上一行的色度信號應為F n-1=Usin SCt-V cosSCt 這樣, F n-1信號經過延時線延時63.943s (約郵4s)再反相后, 則-Fn-1=-U sin SCt+V cosSCt

19、經相減或相加可得Fn -(-F n-1)=2UsinSCt=2FU Fn+(-F n-1)=2VcosSCt=2FV 同理: Fn+1-(-Fn)=2U sinSCt=2FU Fn-1 +(-Fn)=-2VcosSCt=-2FV用MATLAB仿真原理電路說明和U和V信號分離前后的波形分別：U Fu V Fv四、 色差信號的同步解調        梳狀濾波器輸出的±FV信號經V同步解調器，輸出V信號；梳狀濾波器輸出的FU信號經U同步解調器，輸出U信號。解調器輸入、輸出波形如圖所示： 仿真電路如圖：五、由Y,U,V,通過解碼矩陣

20、電路得到R,G,B亮度通道輸出的Y信號和色度通道輸出的U、V信號同時輸入基色矩陣電路，經基色矩陣電路分解，輸出R、G、B三基色信號。其輸入、輸出波形如：用MATLAB仿真R、B和G波形如圖所示：色同步信號與副載波壓控振蕩器輸出的信號同時送鑒相電路,二者進行相位比較后,輸出一個與之相差成正比的直流控制電壓,由它再去控制壓控振蕩器,使其輸出副載波頻率和相位與發射端相同。 所恢復的副載波，一路直接送U平衡解調器，另一路先經PAL開關逐行導向后，再經90°移向送V平衡解調器。半行頻的7.8kHz開關信號亦由鑒相電路取得，經PAL識別電路后去控制PAL開關。色同步信號同時還要送ACC（自動色飽

21、和度控制）、ACK（自動消色）、ARC（自動清晰度控制）等。解碼頻譜分析解碼頻譜分析就是對MATLAB解碼仿真電路中的FBAS信號、亮度信號Y、色度信號F、Fu和Fv、色度信號F和色同步信號Fb、（色度信號）F+Fb（色同步信號）+Y（亮度信號）、色度信號和色同步信號（S）、Fu和Fv信號、U和V信號和RGB三基色信號的頻譜進行分析的過程。MATLAB編碼頻譜分析仿真電路如圖所示： 解碼頻譜分析圖1、FBAS全電視信號的頻譜分析FBAS全電視信號的頻譜分析如圖所示： FBAS信號的頻譜分析圖由圖可看出FBAS是交流信號，放大后可以看到它的主譜線和副譜線。色度信號的載頻就是副載頻f SC, 每當

22、色度信號變化一周, 相當于屏幕上顯示出一亮點與一暗點, 這樣, 每掃描一行將出現200多個亮點, 又因一行中所包含的副載波周期并不是整數, 相鄰行光柵上出現的干擾亮點并不是排列整齊的。2、亮度信號Y的頻譜分析 亮度信號的頻譜分析圖由圖可看出亮度信號Y含有直流成分。亮度信號與色度信號錯開fH, 兩色度信號間錯開 。 3、色度信號F、Fu和Fv的頻譜分析（1）色度信號F的頻譜分析圖如圖所示： 色度信號F的頻譜分析（2）色度信號Fv的頻譜分析圖如圖所示由圖可以看出色度信號是交流信號，每隔一個行頻有一個最大傳輸點；每兩個最大傳輸點是中心是吸收點，兩個吸收點的間距也是一個行頻。這樣的兩個輸出對應的最大傳

23、輸點與吸收點互相交錯，并分別對準Fu和±Fv的主譜線。 在最大傳輸點對準Fu主譜線的特性時，其吸收點也正好對準±Fv的主譜線；又由于±Fv系逐行倒相的，才使兩個色度分量的主譜線正好錯開半行。4、U和V信號頻譜分析U和V信號頻譜分析如圖所示： U信號的頻譜 V信號的頻譜從圖中可以看出U、V信號不含直流成分。U、V和Y信號都是時間的函數, 因電視掃描是周期性的, 這使得它們的頻譜是由以行頻fH為間距的一束束譜線所組成, V、U和Y的頻譜圖如圖。由于主譜線兩邊的幀頻諧波邊帶相對于行頻實際上是很窄的, 且其幅度相對于主譜線幅度也很小, 衰減也很快, 所以圖中只畫出了它們的主譜線。5、色差信號R-Y、B-Y的頻譜分析色差信號R-Y、B-Y的頻譜分析如圖所示：從圖中可以看出色差信號不含直流成分。6、R、G和B三基色信號頻譜分析RGB頻譜分析如圖所示： R信號的頻譜G信號的頻譜B信號的頻譜從圖可以看出RGB含有直流成分。微分相位失真只與亮度電平有關, 相鄰兩行上相鄰像素的亮度總是差不多的。至此解碼及其頻譜分析結束。小結PAL制的特點  (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，