彩色电视信号的解码

上期介绍了单付载波正交平衡调制逐行倒相制（即PAL制）的编码原理。为了实现彩色电视广播与黑白电视广播的兼容，在彩色电视的发送端，将R、G、B三个信号通过编码器形成彩色全电视信号，再由彩色电视发射机发送出去。在接收端必须采取与发送端相反的过程，从彩色全电视信号中解出R、G、B信号来，这叫做解码。编码和解码是一对矛盾，解码是编码的逆过程。图1虚线框内示出了PAL制彩色电视接收视解码器的方框图，同时也画出了彩色电视机的其它组成部分。由图1可以看出，除了解码器与会聚电路之外、彩色电视接收机与黑白电视接收机的电路结构是相同的。随着自会聚式彩色显象管的出现，会聚电路也将被取消，这样解码器就成为彩色电视接收机的独特部分了。下面谈谈解码器的任务和基本原理。

解码器的任务是从视频检波器输出的彩色全电视信号中解出R、G、B三个信号来。然后加到彩色显象管上，控制显象管显示彩色图象。具体来说，解码器应完成以下几步工作：

第一步，利用带通滤波放大电路，分出色度信号来。因为色度信号在全电视信号的6兆赫频带中，仅占据4.43±1.3兆赫的频带宽度。所以，用一个通带为3.1～5.7兆赫的带通滤波放大电路，便可以将色度信号从全电视信号中取出来。通常带通滤波放大电路采用中心频率为4.43兆赫的双调谐放大器，双调谐回路能够很好地完成带通滤波器的任务。由于双调谐回路的频率特性两端比较陡，从而减小了亮度信号对色度信号的串扰。

第二步，利用延时分离的原理将相继两行的色度信号用相加或相减的办法平均起来，克服色调失真，并从中将已调色差信号u与v两个分量分开来。

第三步，利用同步检波器分别从已调色差信号u与v中检出两个色差信号B一Y与R一Y来。同步检波器所需要的付载频信号是由付载频再生器供给。付载频再生器的频率和相位，在彩色全电视信号中色同步信号的同步下，与发送端的付载频信号的频率和相位保持严格的关系。

第四步，视频检波器输出的另一路彩色全电视信号，经陷波器、延时放大器获得亮度信号Y。陷波器的作用是将色度信号（4.43±1.3兆赫左右）滤除掉，以避免色度信号对亮度信号的干扰。

第五步，将已经得到的Y、R—Y、B—Y三个信号加到矩阵电路，解出R、G、B三个信号来，然后再加到彩色显象管上去，以便显示彩色图象。

下面我们分别介绍一下几个主要部分的基本原理。

由上所述，延时分离的作用是将前后两行色度信号平均起来，并从中分离出u、v两个已调色差信号来。从编码原理中知道，为了减少色差信号传送过程中由于相位失真引起的色调失真，逐行倒相制采用一行传送+V信号，另一行传送-V信号的方法。这样在接收端，必须将相继两行信号平均起来。但两行信号在时间上有先有后。怎样将前后两行进行电的平均呢？人们只好把前一行的信号延迟一行的时间，让前、后两行信号同时到达。这就好比两个人以同样的速度在不同的时间出发走路一样，只有让先走的人多绕一段路，才能与后走的人同时到达。在彩色电视机中，延时的方法是采用一种延时线，其延时的时间经过严格的计算为63.943微秒，接近于一行的时间（64微秒）。由于延时的时间太长，不能用普通的电缆线，为此特制一种体积很小的“超声延时线”。大家知道，电磁波在空气中，1微秒传播300米，所以在64微秒内要传播300米×64=19200米，而声波在空气中，1秒只传播331米，所以在64微秒内大约仅传播2.1厘米。“超声延时线”就是利用声波传播速度慢来实现延时的。又因为付载波的频率比声频高，所以叫做“超声”。它是一根两端有换能器的玻璃棒，如图2（a）所示。换能器是一种压电晶体，当把已调付载波信号加到延时线输入端时，换能器将电能转换成机械能，即将已调付载波信号转换为超声波机械振动，这种振动波在玻璃棒中传播，到达另一端的时间正好为所要延迟的时间（约64微秒）。然后通过输出端的换能器把超声波振动重新转换成已调付载波信号，实现由机械能到电能的反转换。声波在玻璃中的传播速度是远低于电波的，在一行的时间中大约只走18厘米的距离。因此用很短的一段玻璃棒便可以将已调付载波信号延时64微秒。实际上在彩色电视机中，为了进一步减小超声延时线的体积，利用介质边界声波反射的原理，将延时线制成如图2（b）所示的形式，这样超声波由输入到输出共反射五次就可实现延时约64微秒的目的。如图中虚线箭头所示。从超声延时线输出端得到的信号与未经延时的直达信号相加减就起到了将两行信号平均的作用。

延时分离器的方框图如图3（a）所示，它由延时线、加法器、减法器三部分组成。由于延时分离器的幅频特性是梳齿形的，如图3（b）所示，所以，又把它叫做梳状滤波器。只要超声延时线的延时时间选得正确，此电路的幅频特性的峰点和谷点都会按行频频率的倍数重复，而且相加电路输出的幅频特性的峰、谷点正好与相减电路输出的幅频特性谷、峰点相对应。这种特性正是我们所需要的。我们已经知道，在彩色电视信号的编码中，u、v信号的频谱特性是准确地按行频的倍数重复并且交错开来的，如图3（c）所示（图中每次谐波附近的能量均用一根线代表）如果使相加电路的幅频特性的峰点都与v信号频谱的各次谐波相对应，而使其谷点正好与u信号的各次谐波相对应，在相加电路中，v信号就有输出，u信号的输出为零，这样就可将v信号单独分离出来。同理，减法电路就可将u信号单独分离出来。对于Y信号来说，各次谐波正好处在梳齿形曲线的峰谷点之间，大约有3dB的衰减。这样不仅比较彻底地分离开u、v信号，还使Y信号对它们的干扰减弱了3dB，这对于减少各信号彼此间的干扰造成的彩色图象失真大有好处。

为什么延时分离器的幅频特性是梳齿形的，这里我们只作定性的解释。由上所述，延时线的延时时间是固定的（63.943微秒），在这一段时间内，对于不同频率的信号来说，通过的信号周期数也不同。对于那些延时时间正好是信号周期整倍数的信号成分来说，如图4（a）所示，在相加电路中，经延时后的信号与直达信号相当于同相位相加，输出信号最大，其幅度增加一倍（近似认为延时后振幅保持不变，实际情况是前后两行信号相差不多）。而在相减电路中，相当于两者同相位相减，输出信号为零。这种情况，分别相当于幅频特性的峰点和谷点。对于那些延时时间正好是信号周期整倍数再加半个周期的信号成份来说，如图4（b）所示，在相加电路中，经延时后的信号与直达信号相当于反相位相加，互相抵消，输出信号为零，而在相减电路中，相当于两者反相位相减，输出信号最大，其幅度也是增加一倍。这种情况，分别相当于幅频特性的谷点和峰点。对于那些延时时间为非整数个周期的信号成分来说，相加与相减电路的输出信号分别有不同程度的增减，如图4（c）所示，这种情况相当于幅频特性峰、谷点之间的部分，这种情况每隔一段频率又重复出现上述两种情况。若将直达信号与延时信号用矢量来表示，则为矢量的和、差，如图4右侧所示。因此这种电路的幅频特性为梳齿形的。

在实践中，如果超声延时线的延时不准，会造成梳状滤波器的峰、谷点与已调色差信号u或v的频谱对不齐，以致不能将两者分离干净，其结果是两者互相干扰，反应到彩色图象上，出现大面积或边缘轮廓部分的彩色失真。因此，对超声延时线的延时准确度要求比较高，并在实际电路中用与延时线相配合的LC并联谐振回路给予补偿调整。

由上所述，梳状滤波器只能起到将前后两个信号平均起来并分离出u与v两个信号的作用。但是，要将调制在付载频上的R—Y与B—Y两个色差信号检波出来，还要靠同步检波电路。下面介绍一下同步检波的原理。

由于已调付载波信号（即色度信号）是被抑制掉付载频分量的，这样在接收端还应补上一个本机产生的付载频信号，才能进行一般的调幅检波。因此，原则上同步检波器可以由一个普遍调幅检波器加上一个与发送端严格同步的付载频信号来组成。而实际的电路常采用图5所示平衡式同步检波器。它的工作原理是这样的：在高频变压器的初级上加有付载频再生器产生的大幅度的等幅付载频振荡信号，此信号经过变压器感应到变压器的次级，当付载频信号为正半周时，次级上端为正，下端为负。由于两个二极管是串接的，二极管导通并给C\(_{1}\)和C2充电。因为充电时间常数很小，所以C\(_{1}\)和C2的电压很快充电到峰值电压，而对于付载频信号的周期（228毫微秒）来说，放电时间常数R\(_{1}\)·C1和R\(_{2}\)·C2却相当大，因此，C\(_{1}\)、C2上的电压基本上保持变压器次级付载频信号的峰值电压。这就使得二极管D\(_{1}\)、D2只有当每个周期的付载频信号的正峰值到来时，才导通一次，其它时间二极管均被C\(_{1}\)与C2上所充的电压截止。从整个电路来看，上下是对称的，在此电路中包含有两个电桥，外边的一个由变压器的上下两个次级与R\(_{1}\)、R2组成，这个电桥只有当两个二极管导通时才起平衡作用；里边的一个电桥由C\(_{1}\)、C2与R\(_{1}\)、R2组成，这个电桥总是平衡的。先看外边电桥的作用，每当二极管导通的一瞬间，外边电桥就瞬时平衡，这时C点电位等于A点电位，因A点接地，是零电位，所以C点电位也瞬时为零。同时由于里边电桥总是平衡的，B点电位也是零。

我们再来看在B点加上色度信号的情况。假设发送端的色差信号如图6（a）所示，已调付载波信号（色度信号）如图6（b）所示（图中只画了很少几周，实际上很多）。由于色度信号幅度很小，可以认为它不影响本机付载频信号所造成的两个二极管瞬时导通的情况，也就是说不影响外电桥的平衡状况。所以不论其他时间C点的情况如何，每当本机付载频信号（如图6（c）所示）的正峰值来到时，总是迫使c点瞬时变成零电位。而在其他时间，二极管不通，这样外边的电桥断开，只剩下里边的电桥在起作用，因此使C点电位保持与B点电位相同或者说C点电位是随着B点电位变化的。也就是说在二极管导通时间之外的其它时间里，从C点输出的信号与加在B点的色度信号相同。由此可见，在本机付载频信号的作用下，每当二极管导通时，强迫c点成为零电位或者说强迫箝位到零，每当二极管不导通时则C点重复B点的信号，结果就得到了图6（d）的波形。可见由于箝位的作用造成了C点波形平均值的变化。将这个波形的平均值用滤波器滤出来如图6（e）所示，可见图6（e）与图6（a）的形状是一样的，只是极性相反，这经过一次倒相就可完全恢复到原来的形状。

应该指出的是：付载频再生器所产生的付载频信号的峰值点应与输入的色度信号的峰值点一一对应，才能取得上面的结果，这就是叫做“同步检波”的原因。要保证这样严格的相位关系，非采用锁相振荡器不可，这将在下一篇文章中介绍。

这里还要说明一点，如果本机付载频信号移相90°，从图6波形可以推断出箝位点正好出现在色度信号的零点上，这样对于色度信号来说起不到移动平均值的作用，结果检波输出的信号与输入的信号完全一样，平均值为零，检不出什么信号来。如果保持本机付载频信号的相位而将输入色度信号移相90°，结果也是一样的。在编码原理中已经谈过，色度信号。与v两个分量正好差90°，因此对于u信号的同步检波器，只能检出B一Y信号来，即使输入端有v信号加入，也检不出来。同理，对于v信号的同步检波器，也只能检出R－Y信号来，而检不出B—Y信号来。这样看来，从同步检波的角度来说，好象u与v信号用不着预先分离，梳状滤波器是多余的。但是从平均两行信号的角度来说，梳状滤波器还是必要的，而且在实际中u与v信号不可能总保持准确的90°相位差，这样预先将u与v分离开，可以减小彼此间的干扰。也有一种简单的彩色电视机电路，不用梳状滤波器，也省掉了超声延时线，这种电路相继两行信号的平均要靠彩色显象管荧光屏上相邻两行的空间平均作用来实现，这样显示的彩色图象质量差一些，但作为业余自制还是可行的。这种电视机叫做简单的PAL制接收机。

对于v信号的同步检波来说。还要复杂一些，因为v信号本身是逐行倒相的，所以，供给同步检波器的本机付载频信号也需要逐行倒相才行。

上面我们已经介绍了从两个同步检波器分别检出R—Y与B—Y两个色差信号的原理，加上由视频检波器检出的并经过放大的Y信号，有了这三个信号之后，要获得R、G、B三个信号，这就是矩阵电路的任务了。

大家知道，在编码器中，为了防止发射机产生过调制，曾将色差信号压缩到U=0.493（B－Y），V=0.877（R－Y）。因此，在一般接收机的矩阵变换电路之前，通过相应选择色度通道的放大量来补偿这个损失，也有在矩阵电路里进行补偿的。

要将Y、R—Y、B—Y三个信号变换成R、G、B三个信号，首先要恢复色差信号G—Y，通常将R—Y、B一Y两个色差信号经放大后，按0.51：0.19的比例混合出G—Y信号来。即：G—Y=－0.51（R—Y）-0.19（B—Y）。这个公式利用Y=0.30R＋0.59G＋0.11B很容易导出。得到G—Y信号之后，然后将R—Y、G—Y、B—Y三个色差信号与亮度信号Y一起加到解码矩阵电路中去进行信号变换。解码矩阵电路的形式很多，通常采用晶体三极管放大电路，将R—Y、G—Y、B—Y信号加到三个晶体管的基极，将-Y信号分别加到三个晶体管的发射极，利用晶体管基极与发射极信号作用相反（即抵消作用）消去了Y信号，最后从三只晶体管的集电极分别输出了经过放大的R、G、B信号。这样就完成了矩阵变换。这三个信号分别加到彩色显象管的三个阴极上去，在彩色电视机的其他电路配合下，就能显示出彩色图象来。

当用彩色电视机接收黑白电视广播时，色差信号为零，只有Y信号加到三个晶体管放大电路上去，使Y信号在三个电路中得到相等的放大，即R＝G=B。将这三个相等的信号去控制彩色显象管的电子枪，正好合成一幅黑白图象，于是达到了彩色与黑白兼容的目的。（未完待续）（张家谋）