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PAL 全电视信号的特征与处理技术.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.52M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    播控中心 　PAL 全电视信号的特征与处理技术 ·应用与实践· 北京新奥特集团开发中心　王新成 　　【摘　要】　详细介绍我国现行的 PAL 并以工程应用实例介绍 PAL 全电视信号的数字处理方法。 D 制全电视信号的结构特征, 【关键词】　EBU 彩条　迂回消隐　彩色帧　数字色键　XYZ 定标 　视频捕捉 【Abstract】　T h is p ap er in troduces featu res in the structu re of ex ist ing PAL D TV com po site signals u sed in Ch ina and digital p rocessing m ethods fo r PAL com po site TV signals, u sing som e exam p les in engineer ing app lication s. 【Key words】　EBU co lou r bar　D etou r b lank ing　Co lou r fram e　 D igital co lo r key　XYZ calib ration　V ideo cap tu re 　　目前, 世界上正在使用的彩色电视广播制 式有 N T SC、PAL、SECAM 和M A C 制, 前三 种用于地面电视广播, 现已形成覆盖全球的地 面广播网, M A C 制专用于卫星电视广播, 1985 年正式使用, 现已发展成共有 5 种分制式的 M A C 家族。 5M H z。PAL 我国的地面电视广播采用的是 PAL D 制, PAL (p hase alternating line) 是彩色电视 制式, 它兼容黑白电视的D 制。D 制的主要特 征 是 625 行, 50 场, 伴 音 与 图 象 载 波 频 距 D 比较特殊, 因为全世界只有 6 我国使用这种制式。我国自 1973 年 5 月 1 日正 式采用 PAL D 制广播以来, 经过几十年的建 设, 现 有 电 视 台 1 200 座, 差 转 台 4 万 个, CA TV 台 3 000 多座, 中央和 9 省共 20 多套节 目上卫星广播。 全国电视机拥有量 2 亿 8 千万 台, 年产彩色电视机 1 300 万台, 电视机普及率 81% , 人口覆盖率 84 1% , 每天收看电视的人 口 8～ 10 亿人, 是世界上最大的电视广播系统。 因而, 深刻了解 PAL D 制的信号特征, 深入研 究该制式的信号处理技术, 对提高我国电视广 播设备和节目制作的质量, 具有非常现实的意 义。 下文围绕 PAL D 制全电视信号的特征, 介绍电视广播设备中常用的全信号处理方法和 技术。 1　PAL D 制全电视信号的特征 1 1　EBU 彩条的波形和矢量 对电视设备的性能和系统的传输特性进行 测试调整时, 通常用标准彩条作测试信号, 我 国的标准彩条是采用欧洲广播联盟 (EBU ) 提 出的彩条标准, 所以也称为 EBU 彩条。EBU 彩 条在监视器屏幕上显示 8 条等宽的彩色竖条, 从左到右依次为白、黄、青、绿、紫、红、蓝、 黑, 通常用四位数码表示彩条名称。 我国采用 的是 100 0 彩条信号, 第一位和第二位数 字分别表示组成白条和黑条的基色信号的最大 值和最小值, 第三位和第四位数字分别表示各 色条的各相应基色信号的最大值和最小值。 75 0 Y = 0 299 R + 0 587 G+ 0 彩条是一个复合信号, 由三基色分量组合 而成, 图 1 是组成彩条的分量信号波形图。 其 中, R、G、B 是单元分量信号, 是最基本的基 色分量; Y、R - Y、B - Y 是双元分量信号, 它 们与单元分量信号之间存在下列关系: 114 B (1) 114 B (2) 886 B (3) 可见, 单元分量与双元分量是线性组合关 系, 两种处理技术就图象质量而言是等价的。但 处理电路难度和应用范围是有区别的。 单元分 量常用在信源编码中, 例如图象采集、 数字特 R - Y = 0 B - Y = - 0 701 R - 0 299 R - 0 587 G - 0 587 G + 0 61 电视技术 1997 年第 5 期 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
    技算法处理等; 双元分量常用在信道编码中, 例 如全信号传输, 因为双元分量能节约频带。 0 75 表 1 是 100 0 彩条的分量信号的相 对幅度值。 在不同的系统和设备中, 为了适应 信道的要求, 各分量的幅度值要作相应的压缩 处理, 所以, 分量信号具有多种标准, 但无论 在什么标准中, 它们的波形与图 1 基本相同。 准点, 向上将 0 7 V (P- P) 值的视频信号分 为十等分, 向下将- 0 3 V (P- P) 的同步信号 分为四等分, 每一单元为 10 IR E, 计量以整数为 单位, 非常方便。 右边的刻度是我国电视台和 设备生产厂家常用的计量单位, 它把全信号的 最大值作为 1 V (P- P) , 以消隐电平为零电平, 视频信号的最大值是 0 7 V (P - P ) , 同步是 3 V (P- P)。这种计算方法适于用示波器直 0 接计量, 应用也很方便。 另外, 在发射设备中 还用百分数计量, 以便于计量调制度。 图 1　EBU 彩条的分量信号波形 表 1　EB U 彩条的分量幅度值 图 2　EBU 彩条的全电视信号波形 信号 彩条 白 黄 青 绿 紫 红 蓝 黑 R G B Y R - Y B - Y 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 75 0 75 0 0 0 0 0 75 0 75 75 0 0 75 0 0 75 0 0 75 75 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 66 0 09 - 0 66 53 - 0 53 0 22 44 - 0 44 - 0 44 31 22 0 0 44 53 0 44 - 0 22 09 - 0 09 0 66 图 3　EBU 彩条的矢量波形 　　图 3 是 EBU 彩条的矢量图, 在矢量示波 器上观察 EBU 彩条全电视信号, 也只能显示 出它的色度部分, 色度信号的数学表示式为: F c = F u±F v= sct (B - Y ) sin sct 　　± (R - Y ) co s = 其中 (B - Y ) 2+ C = (R - Y ) 2 sin ( sct+ ) (R - Y ) 2 (B - Y ) 2+ = tg- 1R - Y B - Y (4) (5) (6) 式中 C 为色度信号矢量的振幅, 表示色饱和 度, 为矢量的相角, 在 0°～ 360°范围内变化, 表征色调。EBU 彩条的 6 个矢量在图 3 中已生 0 0 0 0 　　EBU 彩条的全电视信号波形如图 2 所示, 由亮度、 色度和同步三部分组成。 由于该信号 最接近实际的彩色图象信号, 又便于计算, 它 以广泛用于电视广播系统中作测试信号。 图中 左边的 A 刻度是国际无线电工程师学会制定 的国际通用电视电平计算法。 它以 100 IR E = 700 mV 为计量单位, 以消隐电平为零电平基 71 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 电视技术 1997 年第 5 期
    动形象地表示出来。 另外, 135°的短矢量是 N 行的色同步, 225°的短矢量是 P 行的色同步。 利用 EBU 彩条的矢量图, 可用矢量示波 器粗略地计量出系统的指标, 在广播级电视设 备中, 6 个彩条矢量与图 3 中所示的标准值相 比, 误差不得大于±0 5°, 这对色差矩阵的精度 要求十分苛刻, 要达到千分之一才能满足, 色 同步的矢量长度应在 75% 的点上, 相角误差要 小于 0 05°, 因为它是解调色差信号的参考基 准, 因此一定要准确。 实践中发现, 相当多的 进口专业设备微分相位失真大于±5°, 主观评 价仍相当好, 这是因为 PAL 制具有较强的色 调失真补偿作用, 微分相位失真容限宽达± 40°, 比N 制的±12°宽了 3 倍多。所以, 不必苛 求静态相位关系。 但矢量相位随机抖动时, 屏 幕上会产生讨厌的横向黑条, 象刮风一样, 俗 称刮风失真, 相当多的国产视频设备动态相位 失真很大, 应引起注意。 另外, 在矢量示波器 上, 用 EBU 彩条还可计量白平衡、黑平衡、载 漏、D G 和 D P 等指标。 1 2　色度副载波频率和色同步 PAL 制中, 为了消除亮色干扰, 色度信号 的副载波频率 f sc与行频 f H有下式关系 f sc= n- 1 4 f H (7) 其中 n 为正整数。 这种方法称为四分之一行频间置, 对于 625 行 50 场的D 制, 为了减小副载波干扰亮点 的结构, 还附加了 25H z (半场频) 偏置, 故副 载波表达式变为 f sc= n- 1 4 f H + 1 2 f V (8) 在 D 制中, 取 n= 284, f H = 15 625 H z, f V = 50 H z, 则 　　f sc= 284- ×15 625 1 625 1 4 + = 4 433 618 75 M H z (9) 副载波信号的频谱间置如图 4 所示, 采用四分 之一行频间置后, 在 PAL 信号中, Y、U 、V 信 号互不干扰, 但与采用二分之一行频间置的 N T SC 相比, 与黑白电视信号的兼容性降低了, 同时给 Y C 分离带来了相当大的难度。如果在 PAL 制中也采用二分之一行频间置, Y 和V 信 号就会重合在一起, 引起严重的亮色干扰, 因 而四分之一行频间置已是较好的方法了。 图 4　副载波信号的频谱间置 　　在彩色电视系统中, 黑场信号 (B. B ) 也 是常用的信号之一, 它常作为各种设备的同步 基准。 所谓同步, 在电视系统中, 此概念包含 各信号之间行场和副载波频率一致, 倒相次序 相同, B. B 信号包含 PAL 信号的全部特征和 同步信号, 因而应用非常广泛。 B. B 信号的波形与矢量如图 5 所示, 色同 步在行消隐后肩上, 由 9～ 11 个副载波周期组 成, 矢量如图 5b 所示, 135°的N 行色同步是解 调第一、 二场的奇数行和第三、 四场的偶数行 的基准; 而 225°P 行色同步是解调第一、 二场 的偶数行和第三、 四场的奇数行的基准。 图 5　黑场信号的波形与矢量 1 3　四场迂回消隐与九行消色 由于色同步位于行消隐后肩上, 距行同步 很近, 故从全信号中分离同步会受到色同步的 影响, 尤其在场逆程, 色同步如果与均衡和开 槽脉冲同时存在, 会进一步增加分离的难度。另 外, 为了保证副载波再生振荡器的稳定性, 还 要求每场色同步在消隐前后的相位一致, 并为 81 电视技术 1997 年第 5 期 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
    135°, 故在 PAL 制中规定, 在场逆程 9 行时间 里不传输色同步信号, 这样就形成了色同步消 隐位置在四场中不一样, 并逐场移动半行, 色 同步消隐脉冲在四场中的位置也跟着逐场移动 半行, 故称为四场迂回消隐脉冲。 四场的波形 与时序如图 6 所示。 用具有行场延时功能的监 视器可观察到行场逆程信号的图象, 如图 7 所 示。 图 6　PAL D 四场消隐时序图 才能成整数 709 379, 而 2 500 行在D 制中正好 是 8 场。 即副载波的起始相位每 8 场才重复一 次, 这就是 PAL D 制中的彩色帧概念。 在过去, 多数广播电视设备都不具备彩色 帧功能, 各信源产生的 PAL 全信号中的副载 波起始相位都是随机的, 只保证 f sc和 f H 的严 格关系, 由于过去的节目主要来源于摄象机, 节 目片段是长篇幅的, 编辑点频繁变动的情况很 少, 只要接收机的副载波的起始相位与发射端 一致, 编辑点前后的闪烁就不易被观众觉察到。 而近几年来, 随着电脑动画、 软件特技制作设 备的大量使用, 逐帧生成和逐帧录制的节目越 来越多, 故要求编辑这些节目时必须按场序连 接, 否则, 副载波相位在编辑点前后不连续, 会 产生刺眼的彩色闪烁。 专业录象机一般都具有 自动成帧的功能。 1 5　当前国产电视设备中的非标准现象 我国使用的广播电视设备以进口货为主 流, 高档的测试仪器和中心切换台主要来自美 国的 T ek tron ix, G rass V ally G roup , AM PEX 图 7　逆程的图象 1 4　彩色帧的概念 把副载波 f sc和行频 f H的关系式稍作变换 　　　　f sc= 284- 1 4 + 1 625 ×15 625 1 135 = + 1 4 625 751 6f H f H = 283 (10) 上式表明, 在具有四分之一行频间置和 25H z 偏置的 PAL 全电视信号中, 在一行扫描线里 751 6 个副载波周期, 而该数的 2 500 倍 有 283 91 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 电视技术 1997 年第 5 期
    全电视信号处理电路, 其涉及的电路有同步分 离、奇偶场识别、副载波再生、PAL 识别 (倒 相次序)、场序识别、彩色帧识别、Y C 分离等。 近几年来, 随着数字处理技术的进步和集成电 路的迅速发展, 不涉及复杂算法的视频处理也 可在全电视信号级进行, 例如对全信号的采集、 制式转换等处理。 下面分别介绍上述处理技术 的具体实施方法。 2 1　同步分离与奇偶场识别 在绝大部分视频信号处理流程图中, 同步 分离是全信号处理的第一步, 经过同步分离后, 视频信号和同步信号分道扬镳, 进入各自的通 道进一步加工。 通用的同步分离与奇偶场识别 电路按图 8 流程工作。 全电视信号经缓冲和箝 等公司; 摄录设备、 编辑机、 数字特技等设备 来自日本各公司。 这些设备都具备标准的同步 机、 编码器, 输出的全电视信号都具有文中所 讲的特征, 但多数不具备彩色成帧的功能, 有 些经济型产品甚至不具备 25H z 偏置。 总体上 讲, 用这些设备制作的节目基本上可以得到较 好的质量。 1645, AD 720 1378, CXA 1145 国产专业电视设备在我国基本上是空白。 90 年代初, 在北京、成都、深圳等地, 一些新 兴的高科技公司借助我国独一无二的汉字处理 技术, 把进口的电视字幕机挤出了国门。 由于 字幕机生产利润高, 不少不具备条件的企业一 拥而上, 用游戏机上用的非标准廉价的编码器 722 等 M C1377 制作字幕机, 有的甚至没有同步机, 依靠分离 外视频的同步维持工作。 这类电视设备, 连 PAL 倒相次序都是随机的, 根本谈不上文中所 述的标准 PAL 特征, 所以爬行、闪烁、抖动、 PAL 反相等现象司空见惯。所产生的电视全信 号也无法上专业设备进行数字处理。 估计在我 国现有非标准字幕机 5 000 余台, 主要分布在 中小电视台和 CA TV 台, 希望引起有关各界的 注意。 2　通用 PAL 全电视信号处理技术 　　在专业电视技术中, 对视频信号的加工处 理都是在分量级上进行的; 而设备的输入输出 端口电路则是全信号形式, 因而在输入端口电 路的解码之前和输出端口的编码之后都少不了 图 8　同步分离的流程 位后, 对消隐电平和同步头电平进行检测, 把 检测值相加平均后得到同步幅度 50% 处的电 平, 该电平的绝对值随同步头的幅度变化, 但 相对值是不变的, 总能在同步头 50% 处切出复 合同步脉冲。 把复合同步进行半行频抑制, 去 02 图 9　奇偶场识别时序 电视技术 1997 年第 5 期 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
    掉均衡和开槽脉冲, 再经整形后可得到行同步。 对复合同步进行宽度检测, 可检出场同步。 奇 偶场的识别是利用隔行扫描的特点, 奇场扫描 在 312 5 行处结束, 即在 313 行的半行处; 而 偶场扫描在 625 行末结束。 如果把行同步延时 适当值后加到D 触发器的D 端, 用场同步的前 沿对延迟的行同步进行采样, 采到高电平就是 奇场扫描开始; 采到低电平则是偶场扫描开始。 时序如图 9 所示。 如果用中小规模集成电路和分离元件实现 图 8 的功能, 需要 6～ 8 块 IC 和一些分立元件, 电路的调试也比较麻烦, 现在类似功能的芯片 已做成了单片集成电路, 图 10 是 N C3100 字幕 机上的同步分离电路, 该 IC 可同时输出复合 同步、 行同步、 场同步、 奇偶场和色同步选通 脉冲 (类似 K 脉冲)。EL 4583 的时序图如图 11 所示, 图 12 是它的内部功能。类似的单片集成 电路还有 LM 1881、 EL 4581, 但功能都不如 EL 4583 齐全。 在数字电视机中, 同步分离也常在数字级 进行, 工作流程与图 8 类似, 但在数字级进行 同步分离会降低视频信号量化后的动态范围, 除非用 10～ 12 b it 进行量化, 但高比特量化会 增加成本, 所以在大部分专业设备中, 同步分 离仍在模拟级进行。 图 10　N C3100 字幕机中的同步分离电路 图 11　EL 4583 的信号波形图 12 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 电视技术 1997 年第 5 期
    图 12　EL 4583 的内部功能 2 2　副载波再生与 PAL 识别 在进行色度解调和多路视频锁相时, 必须 从全电视信号中再生副载波的频率和逐行倒相 的相序。 副载波的频率和 PAL 顺序全部包含 在行消隐后肩上的色同步信号中。 所以, 用选 通电路把色同步选出来, 送到图 13 所示的双环 路高频锁相环电路中, 把主环路鉴相器设计成 正弦鉴相特性, 色同步锁定时, 环路误差电压 接近于零。 积分环路用二阶低通滤波器, 可消 除再生副载波频率的速度和加速度变化误差。 为了提高频率精度, V CO 振荡频率锁定在 (2～ 8) f sc上。副环路设计成开环模式, 鉴相器设计 成余弦特性, 因而锁定 135°的N 行色同步时, 输入信号与参考信号同相, 输出误差电压最大; 22 电视技术 1997 年第 5 期 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
    而锁定 225°的 P 行色同步时, 输入信号与参考 信号反相, 输出误差电压最小, 把误差电压转 换成不归零脉冲形式, 就可得到半行频的 PAL 脉冲。 图 13　副载波再生与 PAL 识别框图 　　图 14 是 T IG V IS ION 图象板上的副载波 再生与 PAL 识别电路, 它是一个功能与图 13 很类似的单片 IC, V CO 工作于 4f sc上, 输出再 生副载波的相位用 7 脚上的电位器可在 0°～ 360°的范围内平滑调整, 色同步选通脉冲是用 2 脚上的复合同步延时得到的。输出的 PAL 脉 冲有两个, PAL 1是宽度约 2 s 的正脉冲, 位 置对准在 P 行的色同步处, PAL 2是占空比为 50% 的半行频方波, PAL 1适于对同步机电路进 行 PAL 定相, PAL 2适于视频编码器中控制倒 相次序, 该电路主环路捕获范围为 f sc ±100 H z, 同步范围 f sc±200 H z。 5 图 14　PA 3132 的外围电路 2 3　四场迂回次序和彩色帧识别 四场迂回次序和彩色帧识别统称场序识 别, 场序在逐帧编辑中非常有用。 在标准的 D 制全电视信号中, 四场迂回信息包含 PAL 在 9 行消色中, 因而, 只要能识别出 9 行消色 的准确位置, 就可以得到四场迂回的次序。 从 图 6 的四场消隐时序图中可以看出, 第三场的 第一个色同步距离场同步最近, 只有 5 行时间; 第四场最远, 有 6 行半时间; 其它两场中, 第 一场为 6 行, 第二场为 5 行半。根据这些特点, 用图 15 的逻辑电路, 就能正确识别出四场的次 序。图中把场同步V D 延迟 5 行多一点时间, 约 s 得到 V D , 再和色同步标志脉冲相与, 检 340 测出第三场的第一个色同步, 然后用它作复位 脉冲, 对一个计数时钟为场频的计数器复位, 这 个计数器的输出依次为 4→1→2→3 场, 四场次 序得到正确的识别。 四场次序的识别主要用于 对同步机进行精确的场同步。 图 15　四场迂回次序识别 　　8 场场序识别, 即彩色帧的识别, 用简单的 逻辑电路实现比较麻烦。 在专业数字视频解码 器中, 在解调色度信号的同时, 就可附带识别 出彩色帧。例如 B t812 的 F IELD - 0, F IELD - 1, F IELD - EV EN 三只引脚的输出逻辑组合, 能正确指出正在输出的是哪一场, 如表 2 所示。 必须指出的是, 我国有不少节目源, 副载波 f sc 与行频 f H 不符合 (9) 式的标准 PAL D 的确定 关系, 这时 B t812 的输出组合逻辑就不能正确 的指示出场序, 得到的只是表中所示的不确定 场序。 另外, 我国不少中小电视台用非标准 PAL 字幕机 (如M C1377 M C1378 编码器) 制 作节目, 从这些设备的视频中识别场序是徒劳 C 分离都难 的, 而且奇偶识别、PAL 识别、Y 32 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 电视技术 1997 年第 5 期
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