彩色电视制式,是规定彩色电视信号在生成、传输与重现过程中所采用的一系列技术规范的总称。它不是某一个孤立的参数,而是一套完整的信号标准体系,涵盖了扫描方式、扫描行数、场频与帧频、色度信号的编码与调制方式、彩色副载波频率、亮度与色度信号的频谱安排,乃至伴音信号的调制方式等方方面面。考生在理解这个术语时,最容易犯的错误是把"制式"仅仅理解为"颜色呈现方式",实际上制式的本质是一套约定,它决定了彩色电视信号如何在有限的信道带宽内,把亮度信息和色彩信息打包在一起,又能被黑白电视接收机所兼容。
从教材和标准文档的正式表述来看,目前世界范围内主流的模拟彩色电视制式共有三种,分别是美国的 NTSC 制、德国的 PAL 制和法国的 SECAM 制。这三种制式的共同目标是一致的,都试图在已经存在的黑白电视广播体系之上,叠加彩色信息,同时保证已有的黑白电视机仍然能够正常收看节目。这个"兼容"的硬性要求,是理解三种制式所有技术细节的起点,因为正是为了兼容黑白电视,才逼出了亮度信号与色差信号的分离、才逼出了彩色副载波技术、也才逼出了各种不同的色度调制方案。
需要特别强调的是,彩色电视制式与我们常说的电视压缩编码标准是两个完全不同的概念。MPEG 是运动图像压缩编码标准,属于对数字化视频数据进行压缩的编码规范;而 NTSC、PAL、SECAM 是模拟彩色电视信号的制式标准。两者分属不同的技术层次,这也是软考命题人反复设坑的地方,后文会专门展开。更进一步看,彩色电视制式在电视技术体系中处于承上启下的位置,它的下层是黑白电视制式奠定的扫描与同步基础,上层是数字电视时代的压缩编码与传输标准。理解这一点,就能明白为什么制式的行数、场频、副载波频率这几个参数彼此高度耦合:行数与场频共同决定图像的空间与时间分辨率,副载波频率又必须依据行频的奇偶倍数关系精确选择,才能保证频谱交错严格成立,任何一个参数改动都会牵动整个信号体系的重新设计。
要真正理解三种彩色电视制式,必须回到它们共同的技术本质上去。彩色电视制式的核心矛盾,可以概括为一句话:如何在有限的信道带宽内,既传送亮度信息,又传送色彩信息,还要让黑白电视接收机看得懂。这个矛盾催生了彩色电视技术中几个至关重要的底层机制。
彩色电视信号处理的第一步,是把摄像机采集到的红绿蓝三个基色信号转换为亮度信号和色差信号。亮度信号通常记为 Y,它由红绿蓝三个分量按照人眼视觉特性加权合成,反映的是图像的明暗信息。色差信号则是基色信号与亮度信号之差,常用的两个色差分量是 R-Y 和 B-Y,分别代表红色差和蓝色差,第三个色差分量 G-Y 因为可以由 R-Y 和 B-Y 线性组合得到,所以在传输中通常省略,接收端再根据公式恢复出来。
这样处理的目的,就是为了兼容。黑白电视接收机只认识亮度信号,只要它能够从彩色信号中解出 Y 分量,就能正常显示黑白图像;而彩色电视接收机则同时利用 Y、R-Y、B-Y 三个分量重建出 R、G、B。亮度与色差的分离,让"一套信号、两种接收机"成为可能。同时,色差信号对人的视觉来说敏感度远低于亮度信号,因此可以用较低的带宽来传送色差信息,这也为节省频谱资源提供了空间。亮度信号的具体合成公式同样值得记忆。标准彩电技术中,亮度信号Y约等于0.30R加0.59G加0.11B,这组加权系数严格依据人眼对红绿蓝三色亮度的敏感差异确定：人眼对绿色最敏感，占比最高达百分之五十九；对蓝色最不敏感，占比仅百分之十一。这个公式也是软考潜在考点，它直观解释了为什么彩色图转灰度图时不能简单地把RGB三者平均，而必须按此权重加权，否则得到的灰度图会明显偏亮或偏暗。反过来看，色差分量正是基色减去亮度后的差值，R-Y代表红色分量中超出亮度基准的部分，B-Y代表蓝色分量中超出亮度基准的部分，这两个差值就是色彩“偏离黑白基准”的程度。黑白画面之所以黑与白，恰恰是因为三个基色处处相等，此时色差恒为零；而彩色画面的色彩越浓，色差分量幅度越大。这一层对应关系，是后续理解色度调制和接收端解码复原的基础。
亮度信号的频谱有一个重要的特性,那就是它的能量并不是均匀分布在各个频率上的,而是以行频为间隔,呈梳状集中在行频及其谐波附近,谐波之间的空隙里能量很低。这个特性为色度信号的插入提供了天然的"缝隙"。
色度信号正是利用这一特性，被调制到一个精心选择的彩色副载波上，然后插到亮度信号频谱的空隙之中，这种技术叫做频谱交错。由于色度信号的频谱也呈梳状分布，只要把彩色副载波频率选为行频的奇数倍的一半，色度信号的谱线就会正好落在亮度信号谱线的间隙之间，两者互不重叠，从而在同一带宽内实现亮度与色度的共存。NTSC 制选用的彩色副载波频率约为 3.58 兆赫兹,PAL 制约为 4.43 兆赫兹,这些数值都是根据频谱交错原理精心推算出来的,绝不是随意设定的。副载波频率的选取是精密的工程计算。以NTSC制为例,它选择彩色副载波频率为半行频的455倍,使色度信号谱线恰好落在亮度信号谱线间隙中央。NTSC行频约15734赫兹,半行频约7867赫兹,乘455得约3579545赫兹,即3.58兆赫兹;PAL制则取四分之一行频的1135倍,得到约4.43兆赫兹。这些数字看似生僻,却正是命题人在提高题中偏爱考查的细节,考生若能抓住"半行频奇数倍"这一选择原则,即便记不住具体数值,也能从原理上判断正误。
色度信号不能直接像普通调幅那样传送,原因有两个。一是普通调幅的载波分量不携带任何信息,却占据了相当比例的发射功率,白白浪费能量;二是载波本身落在亮度信号频谱内,会对亮度信号形成明显的干扰。所以三种制式在对色差信号进行调制时,都采用了抑制载波的平衡调幅方式,也就是把载波分量抑制掉,只传送两个边带。这样既节省了功率,又减少了对亮度信号的干扰。代价是接收端必须自己恢复出一个与发送端同频同相的副载波,才能正确解调出色度信号,这就对接收端的副载波恢复电路提出了要求。
在理解了亮度色度分离、频谱交错、平衡调幅这三个共同的底层机制之后,三种制式的差异就集中体现在"色差信号到底怎么调制到副载波上"这一个关键点上。正是这一点差异,决定了它们各自在抗失真能力、接收机复杂度和成本上的不同表现。
NTSC 制由美国国家电视标准委员会在 1953 年制定,是世界上第一个兼容制彩色电视制式。它的扫描参数为每帧 525 行,场频 60 赫兹,帧频约为 30 帧每秒。在色度信号的处理上,NTSC 采用正交平衡调幅,也就是把两个色差信号 I 和 Q 分别调制到同频但相位相差 90 度的两个副载波上,再把两个已调信号合成为一个色度信号。所谓正交,指的是两个副载波互相垂直;所谓平衡调幅,指的是抑制载波。合成后的色度信号的幅度反映色彩饱和度,相位反映色调。
NTSC 的最大优点在于接收机结构相对简单、成本较低,且与黑白电视的兼容性良好。但它有一个致命弱点:对相位失真极其敏感。因为色调信息是承载在色度信号的相位上的,而信号在传输过程中不可避免地会产生相位失真,一旦相位发生偏移,色调就会随之变化。轻微的多径传播、信道的不理想都会造成颜色偏色，以至于有人把 NTSC 戏称为"Never The Same Color"，即"颜色永远不一样"。为了纠正这个问题,NTSC 接收机上都设置了一个手动调节的色调控制旋钮,观众需要根据画面情况自己调节肤色等色调。NTSC把两个色差信号命名为I和Q也有技术缘由,I、Q并非直接等同于R-Y和B-Y,而是对色差信号做了一次坐标旋转。人眼对橙青方向的色调变化最敏感,故I信号用较宽带宽传送;对紫绿方向较不敏感,故Q信号用较窄带宽传送。这种依据人眼特性非对称分配带宽的做法,是NTSC在有限带宽内提升彩色效果的关键手段。
PAL 制于 1967 年由当时的联邦德国推出,中文含义是"逐行倒相"。它的扫描参数为每帧 625 行,场频 50 赫兹,帧频 25 帧每秒,这与欧洲原有的 50 赫兹电力系统相匹配。PAL 制的色度调制本质上也是正交平衡调幅,但它比 NTSC 多了一个巧妙的改进:让其中一个色差分量在相邻两行之间逐行倒相,即这一行取正相位,下一行取负相位,交替进行。
逐行倒相的价值在于,它把"抗相位失真"这个难题用一个非常优雅的方式解决了。当传输信道存在相位失真时,相邻两行的相位误差方向是相反的,接收端借助延迟线把两行的信号加以平均,相位误差就会相互抵消,色调因此得到稳定。这正是 PAL 制最重要的技术贡献,它使得彩色电视的色调不再像 NTSC 那样依赖手动调节,画面色彩稳定可靠。当然,逐行倒相也带来了一点代价,那就是接收端的延迟线和同步电路比 NTSC 复杂,成本略高。PAL逐行倒相的具
本篇完！