任务二 彩色电视信号的产生与传输
任务分析
彩色电视系统的产生是色彩学和电子技术相结合的一个结果。因此，了解色彩学的基本知识和掌握彩色电视信号的产生与传输过程，是熟悉彩色电视机的基本原理和掌握整机维修技术的基础。
基本知识
一、三基色原理
1．光和色
光是一种以电磁波形式存在的物质。凡是能引起人眼视觉反应的电磁波均称为可见光，波长为380∼780nm。光的颜色与可见光的波长有关，如光的波长从780nm向380nm逐渐变短时，其颜色就会按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序依次变化。太阳光是生活中最重要的可见光谱，三棱镜实验或雨后出现的彩虹显示了其光谱成分。
物体的颜色取决于两个因素：一是光源的特性；二是物体表面对光的吸收、反射和透射的特性。
2．彩色三要素
对于彩色光，一般用亮度、色调和色饱和度三个物理量来描述，称为彩色三要素。
1）亮度
亮度是指彩色光作用于人眼引起明暗程度的感觉，通常用Y来表示。亮度与彩色光的能量及波长的长短有关。
2）色调
色调是指人眼看到一种或多种波长的光所引起的彩色感觉，即颜色的类别。通常所说的红色、绿色、蓝色等就是指其色调。彩色光的色调取决于其光谱成分，如红色与橘红色，名称很像，但其光谱成分不同，因而色调也不同。
3）色饱和度
饱和度是指颜色的深浅程度，即颜色的浓度。对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，颜色就越深；饱和度越低，颜色就越浅。在某一色调的彩色光中掺入白光，会使其饱和度下降，如红色与浅红色，两者色调相同，但饱和度不同。
色调和色饱和度合称为色度。色度既说明彩色光颜色的类别，又说明了颜色的深浅程度。
3．三基色原理及混色法
在自然界中，绝大多数的彩色光都可以分解为某几种基色光；相反，利用某几种基色光按不同比例混合，又可以模拟出自然界绝大多数的彩色。若基色为三种，则称为三基色原理。其特点如下：
（1）三基色的选择不是唯一的，在彩色电视中选择红（R）、绿（G）、蓝（B）作为三基色。
（2）三基色必须是相互独立的，三基色中任一种基色不能由另两种基色混合产生。
（3）三基色的比例决定合成色的色度，合成后的彩色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。
三基色原理是彩色电视的理论基础。如果没有三基色原理，每一种彩色都需要一个独立的电信号，那么整个系统所需的电信号会很多，导致系统过于复杂而根本无法实现。三基色原理使彩色电视系统的实现变得更容易，如图1-5所示。
图1-5 三基色原理在电视系统中的应用
根据三基色原理，可以将三种基色按一定比例相加混合得到某种彩色，如图1-6所示。
图1-6 三基色相加混色图
在电视技术中，颜色的合成采用相加混色法，相加混色法有空间混色法和时间混色法。
1）空间混色法
将三基色同时投射到屏幕的三个临近点上，当三个临近点足够近时，由于人眼视觉的分辨力有限，三种颜色就像同时投射到同一点，会产生相加混色效应，这称为空间混色法。电视中的彩色显像管使用的就是空间混色。
2）时间混色法
将三基色轮换交替地投射到同一屏幕表面，只要轮换的速度足够快，由于人眼视觉有惰性（暂留特性），看起来像三基色直接相加的效果，这称为时间混色法。
4．亮度方程
根据混色法可以按照一定的比例将红、绿、蓝三基色混合得到100%的白光。又通过实验得知100%白光中红光亮度占30%，绿光亮度占59%，蓝光亮度占11%，用方程式表达为
Y=0.30R+0.59G+0.11B
这就是彩色电视技术中一个非常重要的公式—亮度方程。在彩色电视中，三基色亮度的大小常用电压形式体现。因此，亮度电压方程也可表示为
UY=0.3 0UR+0.5 9UG+0.11UB
5．兼容制的要求
兼容，就是黑白电视机可以接收彩色电视系统所发射的彩色电视节目，所看到的图像仍然是黑白图像；彩色电视机也可以接收黑白电视节目（如老电影等），所看到的图像也是黑白图像。
要做到兼容，彩色电视系统必须满足以下条件。
（1）所传送的彩色电视信号中应有亮度信号和色度信号两部分，且二者互不干扰。亮度信号包含了彩色图像的亮度信息，相当于黑白电视图像信号；色度信号包含了彩色图像的色调与饱和度等信息，与亮度信号一起经过处理后显示出彩色画面。
（2）彩色电视信号通道的频率特性应与黑白电视信号通道的频率特性基本一致。应该有相同的频带宽度、图像载频和伴音载频。图像和伴音的调制方式应与黑白电视系统相同，而且频道间隔同为8MHz。
（3）彩色电视与黑白电视应有相同的扫描方式、扫描频率和相同的辅助信号。
6．色差信号
在彩色电视中除了传送亮度信号外，还需要传送代表色调和色饱和度的色度信号。为了获得只含有色度信息的色度信号，可以从三基色信号中减去亮度信号，即R-Y、G-Y、B-Y，这样的信号中没有亮度成分，称为色差信号。
根据亮度方程，可得出下列等式：
R-Y=R-(0.3R+0.59G+0.11B)=0.7R-0.59G-0.11B
B-Y=B-(0.3R+0.59G+0.11B)=-0.3R-0.59G+0.89B
G-Y=G-(0.3R+0.59G+0.11B)=-0.3R+0.41G-0.11B
由上式可以看出：三个色差信号可以由三基色按不同比例混合而成，负号表示将该基色电压进行反相处理即可。
三个色差信号不是独立的，每个色差信号都可以由其他两个色差信号合成而得到。利用亮度方程可以方便地推导出三个色差信号之间的关系为
0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y)=0
为了满足兼容制的要求，发送端必须传送一个亮度信号Y；色度信号并不是直接传送三基色，而是传送色差信号。三个色差信号不需要全部传送，只需传送其中两个即可。在彩色电视系统中只传送R-Y和B-Y两个色差信号，而G-Y可以在接收端通过矩阵电路获得。因此，彩色电视系统在发送端共传送三个信号，即Y、R-Y、B-Y，又称为传输三基色。接收端经过处理得到这三个信号以后，再根据亮度方程进行处理，最终得到三基色R、G、B，即
R-Y、B-Y→G-Y R-Y+Y=R G-Y+Y=G B-Y+Y=B
二、彩色电视信号的形成与传输
1．电视广播的基本过程
电视广播和无线电广播一样，都是通信系统，由发送端、信道、接收端组成。无线电广播只传输声音信号，而电视广播同时传输声音和图像信号。
电视广播的基本过程如图1-7所示。
图1-7 电视广播的基本过程
在发送端，通过专用的设备将景物（即被传图像）转换为电信号，图像的本质是光，即完成光—电转换，专用设备通常是摄像机。与此同时，景物的伴音则通过话筒进行声—电转换。得到的图像信号和伴音信号经过放大、调制等过程，图像信号以调幅方式调制在一个高频载波上，伴音信号以调频方式调制在另一个高频载波上。最后两种载波在发射机内合在一起，形成射频信号，通过天线以无线电波的形式发送到空中。
在接收端，电视机通过天线把信号接收下来，经过解调（检波）后还原为图像信号和伴音信号。图像信号经显像管还原成原景物的光像（即重现图像），完成电—光转换；伴音信号经扬声器还原成声音，完成电—声转换。
2．电子扫描
在发送端和接收端，图像是如何被传送与重现？打个比方，图像被传送的过程就像拿笔在纸上写文章；图像重现的过程就像用眼睛在纸上读文章，包括以下几个步骤。
1）将图像分解为像素
一幅图像是由许多明暗不同的光点组成的，通常把这些光点称为“像素”。同一幅画面上像素越多，图像就越清晰。一幅电视图像有44万多个像素。
2）电子扫描
在发送端，摄像管内的电子枪产生的电子束按顺序依次扫过每个像素，根据每个像素的明暗程度转化成相应强弱的电信号发送出去。电视机接收后，显像管内的电子枪根据电信号的强弱，发出相应的电子束，一行一行地轰击荧光屏上的荧光粉，使其产生不同强弱的光，就还原成了图像。电子束一行一行地轰击显像管内壁荧光粉的运动过程称为电子扫描，如图1-8所示。
图1-8 电子扫描与光栅
电子束就像写文章用的笔或者读文章时的眼光，从左到右、从上到下依次扫描过整个画面。从左到右的扫描称为水平扫描，又称为行扫描；从上到下的扫描称为垂直扫描，又称为帧扫描或场扫描。当行扫描和场扫描同时进行时，屏幕上出现一片白光，称为光栅，如图1-8所示。行扫描中，由左向右的扫描称为行扫描正程，由右向左的扫描称为行扫描逆程；场扫描中，由上向下的扫描称为场扫描正程，由下向上的扫描称为场扫描逆程。电子束在扫描正程期间传送图像内容，而扫描逆程期间不传送图像内容，只是为下次扫描正程做准备。
3）隔行扫描
扫描分为逐行扫描和隔行扫描。逐行扫描就是一行接一行的扫描，这样会导致信号频带过宽，达到12MHz。
为了降低带宽同时又避免图像闪烁，电视机采用了隔行扫描的技术，即把一幅图像分两场扫描，首先扫描1、3、5……等奇数行，形成奇数场图像，然后电子束重新回到图像起始点，扫描2、4、6……等偶数行，形成偶数场图像。奇数场和偶数场图像镶嵌在一起，由于人眼的视觉惰性（每幅图像在人眼内的感觉能保留0.1s，称为视觉惰性，又称为视觉暂留特性），看到的仍是一幅完整的图像，如图1-9所示。
图1-9 隔行扫描重现图像示意图
我国规定每一幅图像（称为一帧）扫描625行，每秒钟传送25幅图像，采用隔行扫描也就是传送50场。因此，帧频是25Hz，场扫描的频率是50Hz，行扫描的频率是25×625=15 625Hz。图像信号的最高频率为6MHz，最低频率为0，则带宽为6MHz。
3．彩色电视信号的形成和彩色全电视信号
1）彩色电视信号的形成
在发送端，彩色电视信号的制作过程如图1-10所示。
图1-10 彩色电视信号的制作过程
制作过程中最主要的就是所谓“二次调制”。第一次调制是指将R-Y和B-Y分别压缩0.877和0.493倍，变成V和U信号，然后用正交平衡调幅对V、U进行调制，即V、U分别对两个频率均为4.43MHz，但相位相差90°的色副载波进行抑制载波的调制。第二次调制是指彩色全电视信号和伴音信号分别用残留边带调幅和调频的方法对两个载波进行调制，形成高频图像信号和高频伴音信号，并合在一起成为射频电视信号，带宽为8MHz，即一个电视频道的带宽为8MHz。
在接收端，电视信号的处理过程与上述过程相反，即逆过程。
2）彩色全电视信号
彩色全电视信号不仅包含亮度信号、正交平衡调幅调制的色度信号，还包括行、场消隐信号，色同步信号，行、场同步信号，用FBAS（或FYAS）来表示。行、场消隐信号（又称复合消隐信号）是为了削去行、场扫描逆程的回扫线，使重现的图像干净清晰。行、场同步信号（又称复合同步信号）是为了保证发送、接收端扫描的同步。色同步信号是为了使接收端恢复的色副载波与发送端一致。彩色全电视信号的结构示意图如图1-11所示。
图1-11 彩色全电视信号的结构示意图（以彩条信号为例）
4．彩色电视的制式
目前，世界上采用的兼容制彩色电视制式有三种，即NTSC制式、PAL制式和SECAM制式。
1）NTSC制式
NTSC制式即是上述的正交平衡调幅调制。其突出特点是调幅波中没有副载波，需要在接收端设置副载波再生电路，恢复失去的副载波，以便解调出两个色差信号。该制式兼容性好，副载波对图像的干扰小，彩色清晰度高。主要缺点是对信号的相位失真十分敏感，容易产生色调失真。目前，美国、日本、加拿大等地采用此制式。
2）PAL制式
PAL制式是针对NTSC制式相位失真敏感的缺点而提出的，它是NTSC制式的一种改进形式，是将色度信号中的V分量逐行倒相，利用相邻行扫描色彩的互补性校正由相位失真引起的色调失真。主要缺点是电视机的电路结构比较复杂。目前，中国、英国、意大利等国家采用此制式。
3）SECAM制式
SECAM制式与前两种制式的不同点是两个色差信号不是同时传送，而是轮流交替地传送。另外，色差信号对副载波采用调频方式，然后将两个调频波逐行轮换插入亮度信号中。这种制式的缺点是图像质量比以上两种制式差。目前，法国、俄罗斯、东欧等国采用此制式。
由于以上三种制式传送色差信号的方法不同，所以三种制式之间不能相互兼容收看。
议一议
在相同距离观看彩色电视节目，为什么电视机屏幕越小，感觉图像清晰度越高？结合“像素”讨论。
基本技能