彩色电视信号的编码

自然界的景色是丰富多彩的，既有不同的亮度，又有各种不同的颜色。黑白电视只反映景物的亮暗差别，不能反映景物的色彩，所以用一个电信号就能实现黑白图象的传送。然而彩色电视却不同，它不仅要反映各不相同的亮度，而且还要反映千差万别的颜色。因此用一个电信号就不够了。究竟用几个电信号才能实现彩色景象的传送呢？人们经过长期的实践发现，自然界绝大多数色彩光都能分解成红、绿、蓝三种色光，而用红、绿、蓝三种色光也能合成各种色彩的光束，只要适当调配它们之间的比例就行，这种原理就叫做三基色原理。三基色原理是实现彩色电视的基础。根据这一原理，在彩色电视发送端，只要将彩色景象用光学的方法分解成红、绿、蓝三个单色光象，利用光电转换的原理和扫描的方式再转换成相应的电信号，传送到接收端。在接收端再将三个电信号用彩色显象管转换成红、绿、蓝三个单色的光象，并将它们重合在一起形成彩色图象，就能实现彩色电视。

彩色电视传送的彩色图象是由红（R）、绿（G）、蓝（B）三个独立的电信号所组成，所以它传送的信息量是黑白电视信号的三倍。这三个信号都是既代表图象的颜色成分，又代表图象的亮度成分，需要同时传送才行。大家知道，我国电视信号的频带宽度为6兆赫，如果同时分别传送这三个信号，就需要18兆赫的频带宽度，这样不仅占用频带太宽，而且还不能解决彩色电视与黑白电视兼容的问题。本文将根据彩色电视与黑白电视兼容的要求，讲一讲在发送端对红、绿、蓝三个信号进行编码的必要性、编码的过程及其方框图，为今后进一步分析彩色电视机的具体电路打下基础。

所谓兼容，指的是用同样制式的黑白和彩色电视机可以互相收看彩色电视广播与黑白电视广播。众所周知，彩色电视是在黑白电视的基础上发展起来的。那么，建立了彩色电视广播以后，能不能用原有的黑白电视机直接收看彩色电视节目，用彩色电视机又能不能直接收看黑白电视台的节目呢？这是发展彩色电视必然遇到的问题。尽管黑白电视机只能接收亮度（黑白）信号，在收看彩色电视广播时，只能看到黑白图象；而黑白电视台只能播送亮度信号，用彩色电视机接收黑白电视节目，人们能看到的也只是黑白图象，但如能实现彩色与黑白相互收看，必将使电视更充分地发挥宣传教育作用。同时，由于黑白电视机比较便宜，易于普及，在今后相当长的时期内将和彩色电视共存。因此，兼容问题就成为发展彩色电视必须解决的重要问题。

实现彩色与黑白兼容必须满足如下要求：

①彩色电视广播的标准应该与黑白电视广播的标准相适应。例如彩色与黑白电视广播所占的带宽应相同；采用的伴音载频、图象载频和它们之间的间隔要一致；扫描频率、同步方式应相同；全电视信号的标准要基本一致等。

②彩色电视广播的信号中应包含独立的亮度信号（即黑白信号），使黑白电视机不经过任何改动就可收看，而且信号中所包含的图象色彩的信号应对黑白电视机的图象干扰不明显等。

可以说前一项要求是为了满足用彩色电视机能接收黑白电视节目，后一项要求则是为了满足用黑白电视机能接收彩色电视广播。当然这两者是紧密联系在一起的，只有同时满足才能实现兼容。

要实现兼容，还必须对红（R）、绿（G）、蓝（B）三个信号进行重新编排组合，而不能同时直接播送这三个信号。对三个信号的编排组合，叫做彩色信号的编码。而到达彩色电视接收端后还必须恢复R、G、B三个信号，然后用这三个信号去控制彩色显象管重显彩色图象，这叫做解码。下面先介绍彩色电视信号的编码过程及其有关问题。

首先，应当编出一个只代表图象亮度变化的亮度信号，既供彩色电视机接收用，又供黑白电视机接收用。其次，还要有代表图象色调（即颜色种类）和浓度（即颜色浓淡，又叫饱和度）的色度信号，专供彩色电视机接收用。由三基色原理可知，R、G、B三个信号是独立的，它们既代表图象亮度的一部分，又代表图象色调和浓度的一部分，无论其中哪一个信号都不能直接代表图象亮度，因此必须由它们综合出一个代表图象整个亮度的亮度信号来。通常图象亮度信号用Y来代表，它可由R、G、B三个信号按一定的比例合成，其关系式如下：Y=0.30R＋0.59G＋0

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这个公式说明，用彩色电视所选用的红、绿、蓝光合成某种色光时，某种色光的亮度与这三者的关系。也就是说用一个单位的红光，一个单位的绿光和一个单位的蓝光，按上式的比例合在一起，就能合成一个单位的白光，即：R=G=B=1时， Y=1。如果用电信号代表这些光的强弱，则上式表达了亮度信号（Y）与红（R）、绿（G）、蓝（B）三个信号之间的定量关系。也就是说如果有了R、G、B三个信号就能按上式混合出Y信号来，这正是黑白电视所需要的。为了实现兼容，广播彩色电视信号时，必须包括Y信号。而彩色电视机在显示彩色图象时，需要的是R、G、B三个电信号。是否有必要同时传送Y、R、G、B四个信号呢？实践证明是没有必要的。从上述公式可知，只要有了四个信号之中的任意三个，就能求出第四个来，可见只需传送三个信号就能满足需要。

实际的彩色电视广播传送的是Y、R-Y、B-Y三个电信号。Y信号可供黑白电视机直接收看。R-Y、B-Y叫做色差信号。在电视台，用加法和减法电路可将R、G、B三个信号转化成Y、R-Y、B-Y三个信号。计算Y信号的公式如上所述，计算R-Y、B-Y信号的公式可根据上面公式推导出来，即：

为了简便，常用V代表R-Y信号，用U代表B-Y信号。为了使色差信号在发送时相对于亮度信号的幅度不要太大，防止图象载波产生过调制，所以色差信号在幅度上必须加以限制，各打一个折扣，即：V=0.877（R-Y），U=0.493（B-Y）。将R、G、B三个信号按上述比例组合成Y、R-Y、B-Y的电路叫做矩阵电路。在接收端则要进行相反的运算，再还原出R、G、B信号来。

为什么要选送这样两个色差信号呢？主要是因为这两个色差信号对图象的干扰最小。当传送的彩色图象中有黑白部分或者传送的是黑白信号时，由于R=G=B，将此式代入色差信号的公式，就可得到：

可见，色差信号为零，所以色差信号对图象的干扰最小。这对保持彩色电视图象的轮廓和细节部分的清晰度有重要意义。

为了实现兼容，就要求彩色电视广播所占的频带与黑白电视广播所占的频带互相一致。图1是黑白电视广播的频谱标准，其中图象信号频谱是指亮度信号对图象载波进行残留边带调幅后所占的频谱，伴音信号频谱是指伴音信号对伴音载波进行调频后所占的频谱。由于这个频谱标准是在发展黑白电视时规定的，并没有给传送色差信号留位置。那么，怎样才能在这个已经规定的频带中再同时传送出两个色差信号而又与亮度信号互不干扰呢？解决这个问题要分两步：第一步先把色差信号所占的频带尽量压缩；第二步再把它们插到亮度信号所占的频谱之中，并设法使它们互不干扰且易于分离。我们先谈谈压缩色差信号频带的可能性。

大家知道，一幅彩色国画能给人以丰富的彩色真实感，但它的轮廓细节却是用墨勾画的，然后加以大面积涂色。给黑白照片进行着色，也是在黑白照片的基础上加以大面积地涂色，它也能给人以彩色真实感。这说明人眼的彩色感觉灵敏度低于亮度感觉灵敏度，只是对于图象中大面积的部分，人眼才能辨别颜色，而对于图象的轮廓和细节部分只要有亮度差别就行了。我们已经知道，黑白电视信号是由0～6兆赫频带内的不同频率分量组成的，频率高的分量相当于图象内容中的轮廓和细节，频率低的分量相当于图象内容中大面积的部分。可见，利用上述人眼的特性，只要传送色差信号的低频成份就够了，而图象中的轮廓和细节可由Y信号代替。因此，在彩色电视广播中，将色差信号的频带范围压缩到0～1.3兆赫，而将Y信号的频带保持在0～6兆赫。实践证明，在这种情况下，传送的彩色图象是令人满意的。也只有将色差信号的频带压缩之后，才有可能将色差信号安插到Y信号的频谱之中，使它们互不干扰且易于再分开。那么Y信号的频谱中有没有空隙呢？分析一下Y信号的特点就可知道。本来电视图象信号是没有规律的，但是在电视技术中，由于采用了周期性扫描的办法来分解图象，并取得图象电信号，这就使得电视图象信号具有一定的周期性。具体地说，电视图象信号是与行、场扫描周期有关的。图2示出了黑白电视的全电视信号，从图2可以看出，它是按照行、场周期重复的。从分析电视信号的频谱中发现，能量并不是均匀分布在整个频带内，而是集中在以行频各次谐波为中心的谱线左右，各束谱线以行频为间距排列开来，并且随着频率增高，能量也变小，同时也与场频有关，如图3所示。实践证明两次行频谱波的能量集中区之间大约有与能量集中区相等（或更大）的空白区，这一段段的空白区正好用来插入色差信号。这一原理就叫做频谱间置或频谱交错原理。

由于两个色差信号也是用相同的扫描规律产生的，它的频谱也必然与Y信号有相同的位置，如何将它们错开呢？这只有改变色差信号本来的频率才行。大家知道，在无线电技术中，常常采用调制的方法将所要传送的信息（声音或图象）运载到一个高频电信号上去，使其频率变高，然后再发送出去。这个高频电信号叫做载波。至于调制的方法，可用调幅，也可以用其他调制方法。色差信号也是利用调制的方法来改变其频率而保持原有特性，以便实现与Y信号的频谱交错。

考虑到各种因素，并经过严密计算之后，选用一个频率f\(_{c}\)=4.43361875兆赫的信号作为载波，通常叫做付载波（以区别于图象信号的载波），并让频带已压缩的色差信号对这一付载波进行调幅，调幅后产生的调幅波叫已调付载波。选用这样精确的付载波频率，目的是为了使已调付载波信号的频谱正好插入Y信号频谱的空白区，如图4那样。这样色差信号与亮度信号既不互相干扰，也容易再分开。同时，也为了用黑白电视机接收黑白（Y）信号时，使色差信号引起的干扰最小。

由上述可知，色差信号有两个，但付载波只有一个，如何进行调幅呢？这里采取了正交平衡调幅的办法。所谓“正交”是指互相垂直的意思，如果有两个互相垂直的力，如图5（a），则其中任何一个力在另一个力上并没有分力，因此可以认为二者是独立的，彼此无关的。对于电信号也是这样，如果两个电信号的相位相差90°，那么也可以认为二者是独立的，彼此无关的。若用矢量表示，二者也是垂直的，如图5（b）所示，这两个矢量的数学表达式为：

可见，一个为正弦波，一个为余弦波，两者正好差90°。但付载频f\(_{c}\)却是一个， u、v可以认为是一个信号的两个分量。用B-Y信号去调幅付载频信号的正弦分量，用R-Y信号去调幅付载频信号的余弦分量，这样就实现了正交调幅，方框图见图6。u、v表示经调幅后的已调付载波信号，如同两个力可以合成一个力那样，u和v也能合成一个电信号C，这叫做色度信号。

不仅如此，还采用了平衡调幅的方法。平衡调幅与一般的调幅方式不同之处，就在于平衡调幅不输出载频信号。大家知道，一般的调幅载波信号包含一个载频信号及上、下两个边带信号，而载频信号的功率占整个调幅波信号功率的二分之一以上，它是一个具有载频频率的单频率等幅信号。它除了为接收端提供一定载频频率和相位的信息外，并不包含调幅信号的内容，完全可以不去传送它，只要在接收端设法恢复一个载频信号即可。彩色电视中，用付载波传送色差信号时，虽然采用了频谱交插的办法，以便在接收端能再分出已调付载波信号（即色度信号）来，但仍不能完全免除彼此间的干扰，特别是已调付载波信号对Y信号的干扰，所以希望已调付载波信号的能量尽量小些。去掉已调付载波中的付载频信号，只传送上、下两个边带，可使已调付载波信号的能量大为减小。特别是当传送黑白图象或图象细节部分时，由于色差信号为零，即已调付载波的两个边带为零，又没有付载频信号，这样整个已调付载波信号为零，完全取消了对Y信号的干扰。

一般的调幅波及平衡调幅波的波形如图7（b）、（c）所示。从图7（c）可以看出，只传送两个边带的已调波的包络已不同于原来的调幅信号了，这就难于用一般的检波器进行检波，而必须在接收端再恢复一个载频信号才成，这种检波方式叫做同步检波，其原理在解码中再作介绍。平衡调幅与同步检波是一对矛盾的两个方面，使用平衡调幅与同步检波虽然电路比较复杂，但对于减小色差信号对亮度信号的干扰有决定性的意义。

总之，将带宽为1.3兆赫的两个色差信号正交平衡调幅到付载波上之后，形成以付载频4.43361875兆赫为中心的上、下两个边带，它们正好插在Y信号的频谱之中，见图4（b），这完全符合黑白电视广播标准所规定的频谱。再将彩色电视的其他指标，如扫描频率、同步方式、信号形状等等都与黑白电视取得一致，而广播信号中又直接包括了Y信号，这样就完全实现了“兼容”所提出的要求。

世界上现行彩色电视比较主要的制式是“正交平衡调幅制”（NTSC制）、“逐行倒相制”（PAL制）和“行轮换调频制”（SECAM制）。所有这些制式都把图象编制成亮度信号和色差信号来表示。这些制式间的主要差别在于色差信号调制付载波所用的方法不同。而“逐行倒相制”是“正交平衡调幅制”的改进和发展，它不仅继承了“正文平衡调幅制”所采用的正交平衡调制和频谱交错等优点，而且由于采用了逐行倒相这种特殊的调制方式，而使相位失真的影响得到了较好的克服。

经过长期的研究和实践，发现由于采用了正交平衡调幅，已调付载波的相位失真对重显彩色图象的色调（即颜色）影响很大。大家知道，两个色差信号全靠付载波的相位来区别，如果相位有了失真，必然引起接收端两个色差信号的失真，结果造成图象颜色的失真。下面我们用矢量图来说明这个问题。例如一幅彩色图象中有一部分是紫色，从三基色原理可知，纯紫色是由一部分红色和一部分兰色混合而成的，因此R=1、G=0、B＝1，将它们代入色差信号的公式，可求得R-Y=0.59，B-Y=0.59，进一步可求得经压缩后的色差信号U=0.2909，V＝0.5174，于是就得到u=0.2909sin2πf\(_{c}\)t，v=0.5174cos2πfct两个已调付载波信号。将u、v用矢量来表示，并将u、v画在色度信号的矢量图上，如图 8（a）所示。由上所述，u、v可合成一个关量c，它代表紫色色度信号。在紫色色度信号传输的过程中，由于传输通路中存在着各种产生相位失真的因素，如容抗、感抗等就可能产生相位失真，当然也会有幅度失真。然而幅度失真只引起颜色深浅（即色浓度）的变化，而相位失真则要引起色调（颜色）的变化。因为人眼对色调的变化比较敏感，对色浓度的变化不敏感，所以相位失真造成的色调失真对图象质量的影响更严重。假设紫色色度信号传输过程中引起的相位失真为θ角，矢量C将会移到C＇，如图8（b）所示。这样在屏幕上重现的颜色就变成紫红色了。为了克服由于相位失真造成的色调失真，在发送V信号时逐行倒一次相。设前一行与图8（b）相同，下一行使V倒相180°，如图8（c）所示。此时，u、v的合矢量为C-（C-表示在水平轴下面的意思）。因为，传输过程中引起的相位失真是一样的，所以，C-的相位失真也为θ，这样矢量C移到了矢量C＇。当这一色度信号传到接收端解调之后，再将相位倒回来，形成矢量C〃，如图 8（d）所示，然后将C＇与C"两个矢量相加，这就是将前后两行信号平均起来的情况，由图可见，合成矢量与原来没有相位失真的矢量C，相位是相同的，这样就消除了相位失真，使重显的颜色保持了原来的紫色。只是合成矢量的幅度增加了，这只要在放大时给以适当的衰减即可。

由上述分析可以看出，利用逐行倒相传送色度信号的方法，到接收端再将前后两行信号平均起来，可以抵消整个传送过程中引起的相位失真，保持了色调的稳定，这就是我国目前彩色电视试播中采用的制式，叫做单付载波正交平衡调制逐行倒相制，简称逐行倒相（PAL）制。图 4（b）中色度信号u与v的谱线不重合在一起，就是因为v信号是逐行倒相的缘故。正因为u与v不重合，彼此分离时会更容易些，有利于进一步减小彼此间的干扰。

图9为标准的彩条图象全电视信号一行的波形，叫做彩条信号，除同步、消隐信号与黑白全电视信号相同外，在呈阶梯状的Y信号上，还叠加着色度信号。标准的彩条排列次序为（由左到右）：白、黄、青、绿、紫、红、兰、黑，第一条白色、第八条黑色都只有Y信号，而色度信号为零。其余六条既有不同的亮度，又有不同的颜色，在不同电平的Y信号上叠加有幅度不同的色度信号。此外，在行同步脉冲后面，还有一个付载波同步信号，又叫色同步信号，它由8～10个周期的付载频信号组成，供接收端恢复付载频信号时进行同步检波用。彩条信号在彩色电视接收机屏幕上表现为具有不同亮度的彩色垂直条，在黑白电视机屏幕上表现为具有不同亮度的黑白垂直条，它们的亮度取决于Y信号，它们的色调和浓度取决于色度信号。

彩色电视信号发送端编码器的方框图如图10所示。除前面的介绍以外，下面补充几点：

图中0～1.3MH\(_{Z}\)滤波器是供压缩频带用的，只让色差信号0～1.3MHZ范围内的频率成份通过，而把其余高频成份滤掉，所以叫做低通滤波器。但是信号通过滤波器后会带来时间上的延迟，为了使Y信号与色差信号保持正确的时间关系，所以，在Y信号的通路中人为地加进一个约几百毫微秒的延时线。

图中付载频信号90°移相器，是为了实现u与v信号的正交，以保证u、v之间相位差90°，因此，将付载频信号移相90°后再受V信号的调制。

为了形成全彩色电视信号，图中在适当部位还加进复合同步信号和复合消隐信号。色同步信号则是用色同步脉冲加入色差信号后，再通过平衡调制形成。

逐行倒相脉冲是使V信号逐行倒相180°，即一行为正，一行为负。

经过编码器将R、G、B信号编成逐行倒相（PAL）制的彩色全电视信号，用电视发射机发射出去。(张家谋)