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彩色电视基础知识 |
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彩色电视的理论基础是建立在色度学与视觉生理学基础上的。因此要了解彩色电视应该首先了解色度学方面的有关基础知识。
一、彩色的三要素
人眼对任何一种颜色的光引起的视觉反应，都可用亮度、色调和色饱和度三个参量来描述，通常把颜色的亮度、色调和色饱和度称为彩色的三要素。
1.亮度：是指彩色光对人眼作用后，人眼所能感觉到的明暗程度。
2.色调：表示颜色的种类，如红、绿、黄等的区别，取决于该种颜色的主要波长。
3.色饱和度：表示颜色的深浅程度，是按该种颜色混入白光的比例来表示。没有掺入白色光的单色光的色饱和度是100％。
在彩色电视技术中，色调和色饱和度常常被用来组成色度的概念。也就是说，在彩色电视中所说的色度就是色调和色饱和度的合称，它即表明了彩色光的颜色种类，又表明了颜色的深浅程度。
二、三基色原理与混色方法
1.三基色原理
在自然界中，绝大多数的彩色光都可以分解为红（Red）、绿（Green）、篮（Blue）三种基色光；相反，利用红、绿、篮三种基色光按不同比例混合，又可以模拟出自然界的绝大多数的彩色。这个规律称为三基色原理。
特点：
三基色的选择不是唯一的。在彩色电视中选择红、绿、篮作为三基色是因为人眼对这三种基色的光最敏感。
三基色必须是相互独立的，即其中任一种基色不能由另两种基色混合产生。
合成后的彩色的色调和饱和度由三基色的比例决定；它的亮度等于三基色亮度的总和。
2.混色法
在彩色电视中采用相加混色法。相加混色法有直接混色法和间接混色法两种。
直接混色法——是把三种等量的基色光同时投射到一个白屏幕上，会得到不同的颜色。让我们做一个试验吧，请从三基色中选择步步不同的颜色组合，注意摄像机屏幕有什么变化。
利用这种方法，我们调节三种基色的不同比例，可以混合出自然界绝大多数色彩。
间接混色法——是利用人眼视觉的特性进行混色的。通常可分为时间混色法和 空间混色法。
1）时间混色法：将三种基色的光轮交替的投射到白屏幕上，只要色轮的转速够快，利用人眼视觉暂留特性，可得到与直接混色法相同的效果。
2）空间混色法：将三种基色光点同时投射到白屏幕上的三个相邻点上，当三个点足够近时，利用人眼的分辨力有一定限度的特性，就能产生与直接混色法相同的效果。
空间混色法是目前各种同时兼容制彩色电视的基础。彩色显像管就是根据这个原理实现的。
以上我们对三基色的原理和混色法进行了介绍。为了更直观、方便的表示三基色（红、绿、蓝）与它们混色后所得道的各种色彩之间的关系，通常采用图6所示的色度三角形（也称麦克斯三角形）给出三基色混合所得到色彩的大致范围。
那么这个色度三角形的意义是什么？
三、实现彩色电视的基本过程
我们知道，在黑白电视中只是重视景物的亮度，它只传送一个反映景物亮度的电信号。而彩色电视要传送的却是亮度不同，色度千差万别的彩色，如果每一种彩色都使用一个与它对应的电信号，就需要同时传送许许多多的电信号，这显然是不可能的。根据三基色原理，使我们有可能利用有限的三基色（红、绿、蓝）来传送和复现自然界的各种景物的彩色。
具体说，彩色电视并不是把客观世界千差万别的景物颜色一种一种如实的传送，而是把足以能反映各种自然景色的三种基色的组合方式（强弱比例）告诉接收端；在接收端，利用能产生三基色的装置（显像管），使其严格按照接收到的电信息（三基色组合情况）来重新进行三色混合，就可以等效的模拟出发送端的彩色。
尽管这是一种等效模拟，但是这个等效彩色对人眼引起的色感来说与实际彩色引起的色感是相同的。图8就是根据这个设想来实现彩色电视的基本装置示意图。
在发送端必须把要传送的景物的彩色用分光系统（滤色片）分解为红、绿、蓝三种基色画面，再经过三个摄像管的光电转换，把它们转换为三种基色信号（ER、EG、EB）。 然后把三种基色信号无失真的传送至接收端。
在接收端，把三种基色信号放大后分别控制三个基色显像管阴极，经过电光的转换，把三种基色信号变为三种基色的画面，然后通过光学透镜系统投射到屏幕上，并重叠在一起就能混合成原来的景物，这就是实现彩色电视传送的基本过程。
需要指出的是，实际彩色电视机是用彩色显像管代替三个基色显像管，使结构简单化。
兼容性彩色电视的传送制式
我们已经了解到，产生三基色信号并不困难，用分光系统和三只摄像管 组成的摄像系统就能办到。但是，怎样才能把三基色信号传送到接收端呢？这是这里要讨论的问题。
一、彩色电视信号传送的基本制式
1.顺序制——是把将要传送的彩色图像分解为红、绿、蓝三个基色光像然后进行光电 转换后按照一定的时间顺序，在一个信道分别传送；在接收端以相同的顺序轮流把三个基色信号加于彩色显像管的三个阴极，轮流显示出三个基色图像。利用人眼的视觉暂留特性进行混色，最后得到一副完美的彩色图像。
图9 顺序制传送示意图
需要指出的是，实际彩色电视机是用彩色显像管代替三个基色显像管，使结构简单话。
2.简单同时制——是把三个基色信号用三个信道同时传送。在接收端同时将三个基色信号作用于彩色显像管的三个阴极，利用空间混色法在荧光屏上显示一副完美的彩色图像。
图10简单同时制传送示意图
所谓兼容性，就是使黑白电视机能接收彩色电视节目，而彩色电视机也能收看黑白电视节目。
当然，在这两种情况下收看到的电视图像都是黑白图像。
图11 兼容同时制彩色电视机基本原理图
如图11所示：发送端先用分光系统把要传送的彩条画面分为三幅基色画面。根据混色原理 得到三基色画面。当三基色画面同时投射到三个摄像管的靶面上，经过光电转换成ER、EG、EB 信号。它们在编码器中以一定方式编成一个带宽为6MHZ的彩色电视信号，经过发射机调制成高 频彩色电视信号发射出去。 接收端接收信号后经过接收机放大、解调为彩色全电视信号，再经解码器还原ER、EG、EB 三基色信号去调制彩色显像管三个阴极，在荧光屏上呈现三幅基色画面，利用空间混色法重现彩条画面。
彩色电视信号的组成
1 实现兼容性彩色电视的必要条件
为了实现兼容性，彩色电视机信号必须满足下列条件：
彩色电视信号既要使彩色电视机呈现彩色图像，又要使黑白电视机呈现黑白图像。
所以必须要求彩色电视信号是由亮度信号和色度信号两部分组成。
彩色电视信号应具有黑白电视信号相同的频带宽度。
彩色电视必须采用与黑白电视相同的图像载波、伴音载波及图像和伴音的调制方式，以及采用同样的行、场扫描方式、扫描频率和复合同步、复合消隐信号。
2 亮度信号和色度信号
（1）亮度信号：
从色度学讲，人眼对等强度的三基色光的亮度反应是不同的，对绿光最敏感，对红光次之，对蓝光最不敏感。因此，三基色光的亮度为1时，其组成的白光对人眼作用的亮度也为1，若亮度用Y表示，它与R,G,B三基色光之间的关系为： 公式为亮度方程式。
由于亮度方程式中三个系数之和等于1，
如果R、G、B光的亮度都是1，则Y=1，即由它们给出的亮度总和为白色；
如果R、G、B光的亮度相等，但相对值小于1而大于零，则0当R、G、B光的亮度均为零时则Y=0为黑色。
在彩色电视传送过程中，三基色电信号ER、EG、EB合成的亮度信号EY的方程式为：
（2）色差信号：
兼容性彩色电视信号中，除了亮度信号外，还需要一个仅包含色调和饱和度的色度信号。由于三基色信号中既包含了亮度信号也包含了色度信号。为了得到仅包含色度信息的信号，可从三个基色信号中减去亮度信号就得三个仅含色度的信号，我们通常称之为色差信号。
根据亮度方程式可以导出色差信号与三基色信号之间的关系：
实际在三个色差信号中，只需选取其中两个色差信号就能达到传送色度信息的目的。因此为了减小传送信号的频带和提高其信噪比，通常都选用幅度较大的ER-Y、EB-Y色差信号传送色度信息。
(3）彩条的亮度信号与色差信号
彩条信号是彩色电视机经常使用的一种测试信号，它在彩色电视机的荧光屏上显示出八条等宽色调为白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑的竖条，它的亮度递减顺序自左至右排列，如图12(a)所示；它在黑白电视机荧光屏上显示出八条灰度等级不同的竖条。
图 12 彩条的亮度信号和色差信号波形图
由于彩条有正确的色调和饱和度，所以常作为检查和测试彩色电视机的一种信号。
图12（b）是三基色的信号波形，其中包含了亮度信号。
图12（c）是彩条信号的亮度波形图，它是一个高度不等的阶梯电压，幅度从零到一共八个阶梯，所以它是一个含有直流分量的正极性信号。
图12（d）是彩条的色差信号波形，是一个交流信号，由于EG-Y信号的幅度较小，在传输中易受干扰。
所以，为了提高传送信号的信噪比，现行的兼容性彩色电视制式都采用两个幅度较大
的ER-Y和EB-Y传送色度信息。
最后应该指出，上面讨论的亮度信号和色度信号，对所有的兼容性三大彩色电视制式均适用。请大家记住这些波形图，今后在维修中会有很大的帮助。
3. 压缩彩色电视信号频带宽度的方法
为了使彩色电视信号的频带与黑白电视信号的频带相同，所以三大彩电制式均对色差信号的频带进行压缩，即采用大面积着色原理，限制色度信号的频带。亮度信号采用宽带传送，色度信号采用窄带传送（约为亮度信号频带的10％～20％），所得到的彩色图像已经令人满意。我们国家电视制度规定，亮度信号的频带为6MHz（为保证黑白图像的清晰度）；而色差信号的频带为1.3MHz。
此外，色度信号的频带虽然已经压缩在很窄的频带内，但由于亮度信号本身已经占用了与黑白电视信号相同的频带，所以为了使彩色电视信号的频带与黑白电视信号的频带相同，必须进一步设法节省频带。
NTSC制和PAL制色度信号都采用了“正交平衡调幅制”并采用频谱交错技术，把色度信号的频谱安插到亮度信号的频谱间隙中，使色度信号不占用额外的频带。
而SECAM制色度信号采用“行轮换调频制”，来进一步压缩频带，两个色差信号不是在每一行传送，而是顺序轮换交替传送。也就是亮度信号在每一行都传送，色差信号是一行传送ER-Y信号，另一行传送EB-Y信号，逐行顺序轮换传送。
所以SECAM制又称为“顺序同时制”。
兼容性彩色电视制式的原理
目前，世界上现存三大彩色电视编码制式，它们是NTSC制、PAL制、SECAM制。三种制式的彩色电视机的解码电路有明显的不同。这一节我们把三种制式的编码和解码原理用框图的形式给大家介绍一下。
1. NTSC制的编码器和其编码过程
为满足兼容性彩色电视的基本条件和色差信号实现正交平衡调幅的要求，NTSC制编码器的基本组成如图13所示。其编码过程如下：
图13 NTSC制编码器框图
首先把彩色摄像机送来的ER、EG、EB三基色信号，经编码器矩阵编成亮度信号EY和色差信号ER-Y、EB-Y。 色差信号经低通滤波器将其压缩到1.3MHz范围内后，分别送入平衡调幅器对色负载波（由彩色同步机提供）进行平衡调幅，输出为已调色差信号，它们在加法器叠加成色度信号F。 亮度信号EY经放大后通过加法器与彩色同步机送来的复合消隐、复合同步信号叠加，再经均衡延时线，使亮度和色度信号同时到达加法器叠加成彩色全电视信号。
解码是编码的逆过程。所以解码器的任务是：从彩色全电视信号中把亮度信号和色度信号分离开来，各自进入相应的通道；然后将色度信号中的两个色度分量分离开并分别进行同步检波，解调出色差信号；最后把亮度信号及色差信号送入解码矩阵电路，变换为三基色信号。
2. 使用V、U色差信号的解码器及解码过程
图14是NTSC制使用V、U色差信号的解码器方框图。它由亮度通道、色度解码电路和解码矩阵电路等组成。其过程如下：
图14 NTSC制解码器框图
彩色全电视信号送入解码器后，一路进入亮度通道，经过色负载波陷波器吸收掉色度信号，而取出亮度信号，再经过亮度延时放大电路对亮度信号进行加工处理另一路进入色度通道，首先利用色带通放大器的带通特性，选出色度信号，而滤除亮度信号。而色带通放大器分三路输出：一路经色同步选通放大器把色度与色同步信号分离开，选出色同步信号，送入本机色负载波恢复电路，提供本机产生的色负载波的基准相位；另外两路色度信号送至（R-Y）、（B-Y）同步检波器。相位相差90度的色负载波经过V、U放大器放大和去压缩后，恢复原来的色差信号。最后将两个色差信号与亮度信号同时送入解码矩阵电路，就可变为三个基色信号。
我们已经知道，NTSC制彩色电视采用正交平衡调幅的方式，很好的解决了用一个色负载波同时传送色度信号的问题。但是这种方式最大的缺点是相位失真引起色调失真。
所以对整个电视系统要求非常高。为了克服NTSC制中的缺点，PAL制彩色电视在NTSC制的正交平衡调幅的基础上，采用了把色度信号的Fv分量逐行倒相的措施，使相邻两行的色度信号产生的相位失真正好相反，可以利用人眼的视觉平均和用特殊的解调电路加以平均，相互抵消，以得到正确的色调。
PAL是英文（逐行倒相）Phase Alternation Line 的缩写。PAL制于60年代初期联邦德国研制成功，1967年联邦德国和英国首先正是采用，以后许多国家相继采用，我国也采用PAL制。所以按照其特点PAL制又可称之为“逐行倒相正交平衡调幅”制。
3. PAL制编码器及其编码过程 
PAL制编码器的组成如图15，基本上与NTSC制编码器相同，只是多了一个PAL开关，它把加于V平衡调幅器的色负载波逐行倒相。
由摄像机送来的三基色信号经编码矩阵电路变换成亮度信号和色差信号。
亮度信号经过放大并加入复合消隐和复合同步信号后，再经过延时均衡后送入相加器。
色差信号经过低通滤波器限制频带后，再分别加入－K和＋K脉冲，送入各自的U、V平衡调幅器进行平衡调幅。
U平衡调幅器送入0度相位的色负载波，而V平衡调幅器送入正负90度逐行倒相的色负载波。
正负90度色负载波的产生是先将0度色负载波经90度移相器移相90度后，再经过PAL开关逐行倒相成正负90度色负载波，控制PAL开关工作的是行频P脉冲。
U、V平衡调幅器输出的已调波在相加器中相加形成包括色同步信号的色度信号，它和包含复合消隐、同步信号的亮度信号在相加器中混合，就形成了彩色全电视信号。
4. PAL制解码原理及其解码过程
PAL制解码器的组成方框图如图16所示。除虚线部分外，电路于NTSC制基本相同。
图16 PAL制解码器框图
彩色全电视信号送入解码器后，一路送至亮度通道，将色度信号滤除掉，让亮度信号通过延时放大后送入解码矩阵电路。另一路送入色度通道，利用色带通选出色度信号分成两路，一路进入色同步选通放大器，选出三同步信号送入鉴相器及识别检波电路；另一路输出送至延时分离电路，把两个色度分量分离处理，分别送入U、V同步检波器。
在鉴相器中，色同步信号与色负载波压控振荡器送来的色负载波信号进行比较，鉴相器输出一个与两信号相位差成正比的控制电压，经过低通滤波器后变成直流控制电压去控制色负载波压控振荡器的频率和相位，使它与发送端同步。一路0度的色负载波进入U同步检波器，对Fu分量进行解调；另一路先经过90度的移相，再经过PAL识别与倒相开关电路逐行倒相后，得到正负90度的色负载波送入V同步检波器对Fv分量进行解调。
U、V同步检波器输出的色差信号经放大器放大和去压缩后恢复了色差信号，送入解码矩阵电路。与亮度信号一起在解码矩阵电路变换为三基色信号完成解码。
5. SECAM制的编码和解码原理
SECAM制是“轮换传送彩色与存储”的法文缩写。是60年代初期由法国研制成功，1966年法国首先使用，随后前苏联、东欧等国相继使用。从两个色差信号传送的方式上看，是先后顺序轮换传送的，而亮度信号与色信号又是同时传送的，所以，通常这种制式又称为“顺序－同时”制。
SECAM制的编码和解码原理我们就不做详细的介绍了，下面是它们的方框图，请大家参考。
彩色电视机概述
首先讨论彩色电视机的主要特点，具体介绍典型的PAL制集成电路彩色电视机的电路组成和方框图。
（一）每种彩色电视制式的电视机，只能接收相应于该制式的彩色电视节目由于目前现形的三大彩色电视制式对色度信号的处理方法不同，相应于不同制式的彩色电视机的解码电路也有明显不同，因而各种彩色电视制式不能兼容。那么让我们来看看三大彩色制式有什么不同吧。现形三大彩色电视机制式中彩色电视机信号的主要特征
 （二）彩色电视机必须包含有黑白电视机的基本组成部分目前世界各国彩色电视制式都能与该国黑白电视相兼容。因此彩色电视机必须包含黑白电视机的基本部分，即公共通道、伴音通道、以及行、场扫描系统。与黑白电视机不同的地方是用解码器代替了图像通道，以及彩色显像管所必须的附属电路。
（三）目前生产的彩色电视机向遥控、多制式、大屏幕的方向发展。
随着科学技术的发展，特别是大规模集成电路和微电脑技术的发展，促进了电视机遥控技术的发展。所谓多制式、大屏幕就是指能够收看两种以上彩色电视制式和多种黑白电视标准的节目，且显像管的屏幕在64cm（25英寸）以上的彩色电视机。
集成电路彩色电视机的电路组成
彩色电视机主要由五部分组成：
公共通道
伴音通道
解码电路
同步扫描系统（包括显像管及其附属电路）
开关式稳压电源电路。
不同制式的彩色电视机不同之处主要是解码电路不同。
我们以PAL制为例，看看典型的PAL制集成电路彩电的组成原理框图。 
公共通道
公共通道是由高频调谐器（高频头）、图像中放、视频检波和预视放，另外还有消噪、AGC和AFT等电路组成。工作过程如下：
电视天线接收到高频电视信号后，首先通过高频头选出欲接收频道信号送入高放级进行放大，然后在混频级和本振信号进行混频，转换为中频电视信号送到声表面波滤波器（SAWF），利用它的幅－频特性，获得需要的图像中放电路的振幅传输特性，从而获得所需的中频信号的频带特性。随后再送入中放进行放大，由视频检波器进行检波，输出视频彩色全电视机信号。
AGC是自动增益控制电路，控制高放和中放级的电压增益，保证信号幅度的稳定。为了防止本振频率漂移，设置AFT（自动频率跟踪微调）使本振频率更加稳定。
伴音通道
伴音通道的电路组成基本上与黑白电视机相同，也是由伴音中放、鉴频器、和音频放大器等电路组成。输入的是第二伴音中频信号，输出音频信号送至扬声器。ATT是直流音量控制电路，可以对伴音的音量进行控制调节。
解码电路－亮度通道
亮度通道是用于处理亮度信号，相当于黑白电视的图像通道。主要是由色 负载波陷波器、亮度延时放大器、亮度放大及轮廓校正电路、对比度调节电路、黑电平钳位及亮度调节电路等组成。输入彩色全电视信号，输出为经过处理的 亮度信号。
首先彩色全电视信号经过4.43MHz陷波器及亮度延迟放大级，滤除色度信号 并把亮度信号延迟约0.4us～0.8us，使亮度和色度信号能同时到达解码矩阵电路，避免发生彩色镶边现象。轮廓校正电路多采用微分电路来增强图像轮廓。黑电平 钳位电路可以恢复亮度信号的直流平均分量，提高彩色图像质量；还为设置自动亮度限制电路（ABL）提供了电路基础。此外，在亮度通道末端，还要设置行、 场消隐电路，将消隐脉冲叠加到亮度信号电平上。最后亮度信号送至基色矩阵与视放输出电路。
解码电路－色度解码电路
色度解码电路主要任务是从预视放送来的彩色全电视信号中选出色度信号,恢复出三色差信号。它主要是由色度信号预处理电路、色度信号解调电路（通常这两部分称为色度通道）和本机色副载波恢复电路等三部分组成。
1.色度信号预处理电路包括色带通滤波器、ACC（自动色度控制）色度放大电路、色同步与色度分离电路。色饱和度及消色控制电路。
2.色度信号解调电路包括延时分离电路（又称梳状滤波器）和同步检波器两部分。
3.基准色副载波恢复电路主要用来恢复提供色差同步检波器所需的0度和正负90度本机色副载波信号。主要是由APC型锁相环路色副载波恢复电路、PAL识别与消色检波电路双稳态与PAL倒相开关等电路组成。
基色矩阵与视放输出电路
通常彩色电视机中的基色矩阵电路和视放输出电路是合为一体的。不仅把色差信号与亮度信号叠加得出三基色信号，而且还对三基色进行放大。所以一般基色矩阵是三个并列的视放输出电路。从色度信号解调电路送来的三个色差信号被分别送入相应的视放管的基极，而亮度信号分别加至各视放管的发射极，进行矩阵转换叠加成三基色信号，并进行放大由集电极输出百余伏的三基色信号加到显像管的三个阴极，重现彩色图像。
同步扫描系统
同步扫描系统是由同步分离电路、积分与行AFC电路、场扫描和行扫描电路，以及高压变换电路等组成。扫描系统的主要任务是向偏转线圈提供幅度足够的行、场锯齿扫描电流，以便形成电子束扫描光栅；同时还向其他部分提供行、场逆程脉冲。此外，行扫描电路为电视机提供高压和部分直流电压。
从预视放输出的彩色全电视信号送至同步分离电路，输出的复合同步信号，分别通过行AFC和场积分电路去控制行、场扫描电路中的行、场振荡器使行、场扫描同步。行、场脉冲信号再经过行、场扫描电路中的推动级和输出级进行放大后，向偏转线圈提供幅度足够的行、场扫描锯齿波电流，使显像管电子束扫描形成同步的扫描光栅。
(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(3/1/2005) |
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