运用MATLAB学习彩色全电视信号的编码解码及频谱分析Word文档下载推荐.docx

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MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

Simulink&

reg;

是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。

对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。

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【关键字】：

MATLAB、Simulink、信号处理、数据分析

PAL制彩色电视编码原理：

PAL是英文（逐行倒相）PhaseAlternationLine的缩写。

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。

PAL制彩色全电视信号由亮度信号、色度信号、色同步信号、复合消隐信号和复合同步信号组成。

经过图象信号处理后的三基色信号和各种同步信号同时送入PAL编码器，经过一系列的处理加工后，即可形成PAL制彩色全电视信号。

具体过程如下：

校正的三基色信号R、G、B由矩阵电路变成亮度信号Y、蓝色差信号（B－Y）和红色差信号R－Y。

在亮度通道中，设置有副载波陷波器和延迟线，前者是为了减少进入接收机色度通道的亮度串色，后者是为了均衡色度信号因频率受限而在时间上产生的延迟。

通过陷波器和延迟线的Y信号，再经放大、钳位等处理电路，并混入复合消隐信号（BL）和复合同步信号（S）后，便形成黑白全电视信号（VBS）。

色度通道里，（R－Y）、（B－Y）先经带宽（1.3MHz）限制，并压缩为V、U信号，再由钳位电路钳定零电平，然后进入平衡调幅器，变成红色度信号和蓝色度信号，两者相加并经低通或者带通滤除调制中产生的谐波之后，形成色度信号F。

色度信号F、色同步信号Fb、亮度信号Y与消隐信号BL、同步信号S经混合后输出彩色全电视信号FBAS。

PAL制编码方框图：

MATLAB编码仿真的编码电路：

一、兼容制传送方式

1、要实现彩色与黑白电视兼容，彩色电视要满足以下基本条件：

（1）彩色电视信号必须包含一个亮度信号，即黑白全电视信号；

（2）必须包含彩色信号，它仅代表色度，可与亮度信号迭加在一起传送。

在接收端又可以被分开，同时二者互不干扰。

（3）彩色电视必须与黑白电视具有相同的基本参量。

如扫描频率、方式、带宽、同步信号组成、图像载频、伴音载频及图像、音的调制方式。

2.高频混合原理。

谓高频混合原理，是指在彩色电视的传输中，利用人眼对彩色细节分辨力低于对亮度细节分辨力的特性，将色差信号采用4窄带传送，而亮度信号采用宽带传送。

在接收端，基色信号也只恢复规定带宽以下的低频分量。

反映在画面上，是重现彩色图像的粗线条，即大面积的色调，而图像的细节，即高频成份则由同一亮度信号的高频分量代替，这就是高频混合原理。

3.频谱交错原理

色差信号的频带虽经压缩，但由于彩色电视信号中的亮度信

号频谱已占用6MHZ带宽，因而只有设法将色度信号的频谱插到

亮度信号频谱的间隙，使色度信号不占有额外的频带，才能做到

彩色电视信号只占6MHZ的频带范围，从而满足与黑白电视兼容

的条件。

二、亮度与色差信号

为了实现兼容，彩色电视广播必须传送一个亮度信号。

由于彩色摄像机产生的是R、G、B三基色。

根据三基色与三要素的关系可知，混合光的亮度为三基色光的亮度之和。

又根据人眼相对视敏度特性可知，红、绿、蓝三基色信号中的亮度成分又是不一样的，视敏度高的基色（如绿色）含有的亮度成分多一些。

红基色信号（R）、绿基色信号（G）、蓝基色信号（B）可按这个比例混合，可获得一个亮度信号（Y），即亮度方程式为：

Y=0.30R0.59G+0.11B

1、亮度信号产生：

R、G、B、Y：

2、色差信号（R-Y）、（B-Y）的产生：

R-Y、B-Y：

三、色度信号与色同步信号

色差信号的频带虽经压缩，但由于彩色电视信号中的亮度信号频谱已占用6MHZ带宽，因而只有设法将色度信号的频谱插到亮度信号频谱的间隙，使色度信号不占有额外的频带，才能做到彩色电视信号只占6MHZ的频带范围，从而满足与黑白电视兼容的条件。

色度信号不能直接简单与亮度信号叠加，因为这样做的话色度信号的频谱将与亮度信号频谱重合，产生严重的干扰。

可采用的方法是，选择一个合适的载频，通常称为副载波，以fsc表示。

亮度信号频谱与色度信号的频谱是互相交错的，如下图所示：

采用正交平衡调幅制处理色差信号的过程相关电路图如下：

压缩后的色差信号分别为：

U=0.493（B-Y）

V=0.877（R-Y）

色度信号Fv和Fu的形成：

Fu=UsinωSCt

Fv=VcosωSCt

这两个平衡调幅信号频率相等,相差90°

保持着正交关系,将二者相加便得到正交平衡调幅的色度信号：

F=UsinωSCt+VcosωSCt

F常被称为已调色差信号或色度信号，压缩后的色差信号V与+K脉冲混合后与+cosωsct副载波同时加入平衡调幅器，经平衡调幅电路输出已调色差信号+Fv和色同步信号的Fbu分量；

色差信号U与-K脉冲混合后，对sinωsct平衡调幅,得到已调色差信号Fu和色同步信号Fbu分量。

以上二色度信号分量与色同步信号分量混合后，得到色度信号F和色同步信号Fb。

为得到逐行倒相的正交副载波+cosωsct，需设置90°

移相、180°

倒相和PAL开关电路、逐行倒相的半行频（7.8kHz）开关控制信号。

运用MATLAB仿真得到V和U再进行平衡条幅波形如图所示：

从上到下依次为UFuVFv

四、色同步信号Fb的形成

由于PAL制中对V色度分量即FV进行了逐行倒相,所以在接收端还要使逐行倒相复原。

因此,要由色同步信号提供一个识别信号,用它来保证收、发两端的逐行倒相开关（PAL开关）步调一致,即同步。

色同步信号是由8-12个副载波周期组成的一小串副载波群，其出现周期与行周期相同，且位于行消隐的后肩上，电路如下图：

色同步信号前沿滞后行同步脉冲前沿5.6us，色同步信号的幅度与行同步脉冲幅度相等

五、全电视信号FNAS的形成

色度信号F、色同步信号Fb、亮度信号Y与消隐信号A、同步信号S经混合电路后输出彩色全电视信号FBAS。

此FBAS信号是色差信号进行幅度压缩形成U、V色差信号后,由已调的红、蓝两个色度分量叠加形成色度信号,再与亮度、同步、消隐等其它信号混合而成。

MATLAB仿真FBAS电路和FBAS波形和各分信号波形如图所示：

图中从上到下一次是：

FBASF+FbY+A+SFFb

彩色图像信号包括亮度信号与色度信号。

从频域来看,亮度信号与色度信号频谱交错从时域来看,色度信号叠加在亮度信号电平上,它们叠加后的信号波形如图图1-18所示。

它们与扫描所需的同步信号、色同步信号以及消隐信号合成了彩色全电视信号（即FBAS）,再去调制图像载波。

我国彩色电视标准中规定,采用负极性调制。

负极性亮度信号仍以扫描同步电平最高为100%,黑电平为76%,白电平最低为20%,以便于增大色度信号不失真的动态范围

编码过程中的各信号的频谱分析

所谓频谱，就是电信号的能量按频率分布的曲线。

全电视信号的频谱，应是它所包含的主体信号与辅助信号的频谱之和。

编码频谱分析就是对MATLAB仿真电路中的R信号、G信号、B信号、亮度信号Y和消隐信号A、色度信号、色同步信号F、同步信号S和FBAS信号的各个频谱进行分析的过程。

MATLAB编码频谱分析仿真电路如图所示：

1、亮度信号Y的频谱分析

亮度信号Y的频谱分析图如下图所示：

由图可看出亮度信号是含有直流成分，亮度信号的主要参数有相对幅度、饱和度和频带宽度，亮度信号与色差信号频谱波形相似,只是幅值不同而已。

放大后可以看到它的主谱线和副谱线。

2、色差信号R-Y和B-Y的频谱分析

（1）色差信号R-Y的频谱分析图如图所示：

由图可看出色差信号是交流信号

（2）色差信号B-Y的频谱分析图如图所示：

由图可看出色差信号是不含有直流成分，是交流信号，奇对称。

在不计较显像管失真及传输系统非线性失真的情况下还可以证明色差信号受到干扰时，将不影响亮度信号，也不反映到图像的亮度上。

3、色度信号F、Fu和Fv的频谱分析

（1）色度信号F的频谱分析图如图所示：

（2）色度信号Fv的频谱分析图如图所示：

由图可看出色度信号是不含有直流成分的，色度信号的主要参数有相对幅度、饱和度和频带宽度，色度信号的频谱图,代表各彩条的色度信号的振幅和相位,不同色调的矢量处在平面不同位置上，虽然被传送的彩色都是100%饱和度,但色度信号的长度不尽相同，只有互补的两个彩色矢量长度是相同的,因为互补的二色相加应为白色,即此二色的色度信号矢量之和应为零。

色调相同而饱和度不同的彩色,其色度信号的初相角不变。

4、全电视信号FBAS的频谱分析

全电视信号FBAS的频谱分析图如图所示：

从图中可以看出基波频率为15625行频，它是视频单极性信号,既有直流成分,又含有交流成分,且是上下不对称的信号,占有0~6MHz的频带宽度。

对静止的图像而言,其电视信号以帧为周期重复,其场间、行间相关性也较大对活动图像而言,则可说是帧间、行间相关性较大的非周期信号,但其同步与消隐信号仍是周期性的。

解码及其频谱分析

PAL制解码器及解码过程：

把彩色全电视信号还原成三基色电信号的过程称为解码，解码是编码的逆过程。

它将色度信号分离为FU和±

FV两个色度分离。

PAL制解码器框图及各波形：

MATLAB仿真的解码电路如图所示：

具体解码过程分析如下：

一、（Y+A+S）与（F+Fb）的分离

从预视放输出的彩色全电视信号FBAS，经过4.43MHz陷波器和色度带通滤波器进行频率分离，将FBAS分离成亮度信号色度信号两部分。

（1）、用频率分离的方法将FBAS分离为亮度信号、复合同步信号（Y）与高端的色度信号（A）、色同步信号（S）。

在亮度通道中，经4.43MHz的陷波器，将彩色全电视信号中的色度信号滤除，保留亮度信号。

滤除了色度信号后的亮度信号Y，经0.6秒的延迟电路延时后再送入Y信号放大器进行亮度放大，后送基色矩阵电路。

如图：

ＭＡＴＬＡＢ仿真电路如图：

（2）、用时间分离的方法,将色度信号F和色同步信号Fb分开，在色度通道前，设置有一中心频率为4.43MHz，带宽约为2.6MHz的带通滤波器，它从全电视信号中分离出色度信号。

用一个带通滤波器,其通频带的中心频率也为色副载波,并具有色度信号占有的带宽,从彩色全电视信号中选出色度信号。

用MATLAB连接仿真电路及波形分别如图所示：