谈谈彩色电视的制式

景物的颜色看起来虽然多种多样，但是实验表明，却都可由红、绿、蓝三种基本色光按适当的比例混合得出。因此，实现彩色电视最简单的办法，可以采用图1的方式，同时将红、绿、蓝三个基本色光的电信号分别传送到接收端，在接收设备中混色，还原得出彩色图象。

图1的方式不适用于广播，因为这样传送三个基色信号所占用的频带太宽，相当于黑白电视信号所占用频带宽度的三倍，用普通的黑白电视接收机不能收看这种彩色电视台播送的节目，也就是说不能“兼容”。为了解决这个问题，提出了很多方案，即所谓的制式（简称制）。本文只简略地介绍目前较普遍采用的三种制式。

这种制式的基本设想有以下几点：

1．为了解决“兼容”问题，就不能直接传送三个基色信号（R、G、B），而是将它们变换成一个亮度信号，和两上色差信号，分别以“Y”、“R－Y”和“B-Y”表示（因为第三个色差信号“G-Y”不是独立的，可由两个色差信号组成，所以不用传送）。亮度信号与黑白电视视频信号一样反映明暗的程度；两个色差信号之间的相对大小不同，反映不同的颜色（即不同的“色调”）；而色差信号相对于亮度信号的幅度变化，反映颜色的深浅程度（即“饱和度”变化）。“色调”和“饱和度”又可统称为“色度”，亦即由两个色差信号组成了色度信号。这就要求以一个亮度信号和两上色差信号来确定原来的色彩。这样，电视台播送彩色电视节目时，同时发出了一个亮度信号，这个亮度信号也可供黑白电视接收机所接收，解决了实现“兼容”的一个重要问题。

实现这个设想是可能的。根据实验，亮度信号和两个色差信号与三基色信号之间存在如下关系：

按照这个关系确定的亮度信号，与黑白电视信号相同。

为什么要这样变换呢？因为当传送黑白图象（或彩色图象的黑白部分）时，若用基色信号传送，则R=G=B=常数，这仍然会有彩色分量的干扰。当变换成色差信号后，这时色差信号为零，就可以防止彩色分量的串扰了。

在这种已采用525行60场进行彩色电视广播的“平衡正交调制”制中，除了亮度信号“Y”外，为了进一步压缩色度信号的频带，根据人眼对不同色彩的分辨能力也不相同的特征，即对主要反映橙—青色的一些色彩的细节变化分辨力最强，而对于反映黄绿—紫色的一些色彩细节变化分辨力最弱，因此又将上述两个色差信号转换成另外两个色差信号分别以“I”、“Q”表示。它们与前两个色差信号之间，以及与三基色信号之间的关系如下：

这样就可以用较宽些的频带（如0～1.5兆赫）传送主要反映橙—青色的I信号，而用更窄些的频带（如0～0.5兆赫）传送主要反映黄绿—紫色的Q信号。

2．采用频谱编织原理，使彩色电视信号的频带宽度与黑白电视的频带宽度相同，以满足“兼容”的要求。

根据生理视觉特性，人眼对彩色差别的分辨能力要比对亮度差别的分辨能力低得多，因此，只需传送一个频带较宽的亮度信号（构成清晰的黑白图象）和频带较窄的彩色分量信号（即色度信号）就可以了。这如同在一张清晰的黑白照片上，用粗略的大面积着色法就可以得到满意的彩色照片的道理是相似的。实验证明，色度信号I分量用0～1.5兆赫的频带来传送，Q分量用0～0.5兆赫的频带来传送，就能得到满意的效果。

此外，亮度信号的频谱分布，即信号的能量随频率变化的关系曲线，不是连续的，而是有一定的间隔，可以用图2来表示。图中各主谱线以行扫描频率（行频）f\(_{H}\)为间隔，成梳状分布。色度信号的频谱也是这种梳状分布。因此，如果以色度信号调制一个1/2行频奇数倍频率的副载频，就可把色度信号“梳齿”交错地插入亮度信号“梳齿”间隔内，而在一个频带内传送，故称“频谱编织”或“频谱交错”。在接收设备中，可以用梳状频率特性的滤波器把这两种信号分开。

因此，亮度信号可占据黑白电视信号的整个带宽，而色度信号可以用较窄的带宽调制在彩色副载波上，并利用频谱编织原理“放在”亮度信号的频带内来传送。这样一来，彩色电视的频带就和黑白电视的频带一样宽了，解决了兼容性的另一个重要问题。

3．采用平衡正交调制。

为了把色度信号“编织”在亮度信号频带内，需要采用副载频并对其进行调制，就是说把色度信号频率进行变换，使它适合于“编织”在亮度信号频谱的间隔内。

由于色度信号有两个分量（I、Q），所以还要考虑到调制后两个分量不应混淆。另一方面，为了恰当地“编织”，最好用一个副载频。解决这些问题的办法是I信号用一个副载频，Q信号也用这个副载频，但这个副载频与I信号调制的副载频在时间上差\(\frac{1}{4}\)周期。显然，尽管使用了同一个副载频，但在时间上一前一后地“错开”了，因此可避免两个调制信号相互干扰。

时间上相差14周期，相位上即相差90度，因此叫“正交调制”。为了抑制副载频输出，又采用平衡调制电路。这种电路抑制了副载频输出，可以防止副载频对亮度信号的干扰，但在解调时，却要求接收机中产生一个同步的副载频振荡，使接收机复杂化。（图3带通滤波器至下面的解调器应加一箭头线）

综合以上设想，可以把“平衡正交调制”制的工作原理用图3表示。

上面谈到，色度信号的两个分量是对相位相差90度的副载频调制，因此相位失真的影响较大，容易使彩色不稳定（变色），这是这种制式的主要缺点。其它问题是接收机电路结构复杂；色度信号侵入黑白电视机会在荧光屏上产生干扰光点等。

这种制式是上述“平衡正交调制”制式的一种改进方案。“正交调制”制式中存在着由于相位失真引起色调不稳的现象，在这种制式中，采取了将两个色差信号当中的一个按扫描行逐行倒相180度的措施。

为什么会产生彩色变化呢？在上述制式中色信号是采用“正交调制法”，调制在一个副载频的两个分量上，所以已调副载频两个分量的相位变化，会影响色调变化。同时，副载频又是叠加在亮度信号上传送，所以副载频的相位将随亮度信号电平变化，而亮度电平又是随传送的图象内容变化的，这一切就是造成色调失真的原因。另外，由于采用平衡调制抑制了副载频传送，在接收端要解调出原发出的图象信号，就必须在接收机中重新产生与发送端副载频的频率、相位完全一致的副载频振荡。这就要求发送端尚需传送一个控制信号给接收端，这种控制信号叫做“副载频同步信号”（或称“色同步信号”）。若色度信号与色同步信号之间的相位差有误差时，也将产生色调失真。

为什么采取逐行倒相180度的措施，就可以消除这个缺点呢？为了便于解释，我们以矢量图加以说明（见图4）。所谓矢量图，就是以图中箭头的长度表示信号的幅度大小，而用箭头所指方向和它们之间的夹角表示相位关系的一种图示法。在图4a中示出了经正交调制的两个色差信号R－Y、B－Y，其传送的合成色度信号以矢量A-表示（注意R－Y未倒相）。在下一相邻行色差信号R－Y被倒相180度，其传送的合成色度信号用矢量B-表示。矢量A--对B－Y轴互成镜象（图4b）。当有相位失真时，假设矢量A-产生相位误差，A-顺时针移相ф角变成C-（图4a）；同样在下一相邻行矢量B-也产生相位误差移相ф角变成D-（图4b）。在接收机中复原时，将已被倒相的信号再反相180度使D-变成E-，E-和C-各以相移ф角分布在无失真信号A-的两旁，其合成矢量F-仍指向无失真矢量A-的方向，（图4c）。结果是抵消了相位误差，使色调失真得以补偿。例如：要传送紫色，由于电路引起相位失真使其变为“紫偏蓝”，而在下一相邻行上，由于倒相180度失真后则变为“紫偏红”，当相位失真不超过一定限度时（如在±12度以内），由于人眼的分辨力有限和暂留特性，所以感觉到的却是两行色彩的平均色，即色调不变（图5）。但矢量F-的长度却与无失真时的合成矢量2A-不同，F-小于2A-，其差值是由相移ф角来决定。ф越大，则F-越短，说明色饱和度降低，但色调并未发生变化。因而这种制式解决了由于相位失真引起的色变问题。

上面谈到的矢量E-和C-的合成问题，实际上并非直接就能实现。因为，电子束总是一行一行的扫描，相邻两行的信号不是在同一时间出现。特别是当相位失真较严重时，就需在接收机中使用电子开关和延时电路，以便获得相邻行的平均作用，使相位失真造成的色变得以补偿。

我国现行试验的是扫描行数为625，场扫描频率为50赫，频道宽度8兆赫的逐行倒相制，其频谱示于图6。

同遂行倒相制一样，这种制式也是为了克服“平衡正交调制”制式中存在的缺点。在这种制式中传送彩色信号的方式，是在传送亮度信号的同时逐行轮换传送两个色差信号R－Y和B－Y。即在一行上传送亮度信号Y和R－Y，在相邻行上传送Y和B－Y，这里副载频是以单信号调制。在传送过程中，每一瞬间传出和接收的信号都是Y和R－Y或Y和B－Y。当重显彩色图象时，却同时需要Y、R－Y和B－Y三个信号。因此，根据相邻行上图象信号相似的特性，接收机中也必须使用延时电路（延时线），以使一个色差信号延时一个行周期后与下一相邻行的亮度信号和另一个色差信号同时混合，得到所需的三基色信号。

为了消除对相位的敏感，这里对副载频的调制方式，采用了对相位不敏感的调频制。但是两个色差信号经调频后产生的是连续频谱，因此不能利用频谱编织原理，把已调色信号编在亮度信号频谱的间隔中去。又因调频信号的幅度是恒定的，色度信号将干扰亮度信号，所以在这种制式中，又采取了一些相应的措施来消除其干扰。

上述三种制式，从图象清晰、彩色逼真、接收机成本、使用和维修等几个方面来说，各有利弊，还都存在一些问题，有待进一步改进。

注：上述三种制式按照上面叙述次序国外分别简称为NTSC制、PAL制和SECAM制。(陈亚东)