§3.3 NTSC制

NTSC制是1953年美国研制成功的一种兼容性彩色电视制式，NTSC是National Television System Committee（国家电视制式委员会）的缩写词。该制式对色差信号采用了正交平衡调幅技术，因此又称为正交平衡调幅制。

3.3.1 正交平衡调幅与同步检波

3.2.1节已经指出，为了实现兼容，必须将两个色差信号调制在精确选定的副载频上，使色度信号和亮度信号实现频谱交错。现在来研究两个色差信号的调制方式。为了兼容，这种调制方式必须满足：色度已调波对亮度信号在干扰最小；已调波中无用信号成分少、有用成分多，因此彩色信杂比高；两个色差信号互不干扰，在接收机中容易分开。为此，必须选用正交平衡调幅调制方式。

一、平衡调幅

平衡调幅就是抑制载波的调幅，简称抑载调幅。普通调幅的数学表达式为：

载波 上边带 下边带

抑载调幅为：

可见平衡调幅信号正好是调制信号

和被调制信号

的乘积。它与普通调幅的区别在于没有载频分量。如果两个色差信号采用平衡调幅，则色度信号的表达式为

和

其优点在于：（1）传送黑白图象时，由于

则色度信号为零，显然对亮度信号无干扰。（2）传送彩色图象时，因为没有载频分量，从而减少了色度信号的能量和减轻了色度信号对亮度信号的干扰。

二、正交调幅

如果将两个1.3MHz的色差信号R－Y和B－Y，分别调制在两个载频上，其色度信号带宽为2.6×2＝5.2MHz，它与亮度信号重迭过宽，亮度与色度信号间的干扰将相当严重。如果采用正交调幅就可以克服这一缺点。

正交调幅是将两个色差信号R－Y和B－Y分别调制在频率相同、相位差90°的两个副载波上，再将两个输出加在一起。在接收机中，则根据相位的不同，从合成的副载波已调信号中可分别取出两个色差信号。

色差信号正交平衡调幅的方框图如图3.3-1所示。其中，共有两个平衡调幅器，一个是R－Y调制器，副载波为cosωt；另一个是B－Y调制器，副载波为sinωt。若将两者的输出线性相加，则得到色度信号

图3.3-1（b）示出合成信号与两个平衡调幅输出之间的矢量关系。图中对角线的长度C代表色度信号的振幅，θ是的相角，其中

式（3.3-1）可改写成

上式说明，色度信号是一个调幅调相波，其振幅变化反映了色饱和度的变化，而相角θ与两个色差信号的比值有关，对不同的色调来说这个比值是不同的，故θ反映了色调的变化。

三、同步检波

在接收端欲从式（3.3-1）所示色度信号中分离出两个色差信号，不能采用普通检波，而应采用同步检波技术，其方法是将色度信号与和副载波同频同相的本振载波信号相乘。例如，分别用和去乘，经低通后，则分别可得到R－Y和B－Y。同步检波电路和平衡调制电路相类似。现用数学方法证明上述解调过程，例如用去乘时，有

经低通滤波器滤去二倍频载波信号，可得到R－Y信号。同理，用去乘经低通滤波后，可得到（B－Y）信号。

为了加深对平衡调幅和同步检波的理解，图3.3－2画出了单一频率信号和色差信号的平衡调幅波形，由图可见：（1）平衡调幅波不含载波分量。（2）其极性由调制信号和载波共同决定，如果两者之一反相，平衡调幅波的极性则相反。（3）调制信号为零，则平衡调幅波为零。就是说，当色差信号为零或很小时，就没有或只有很小的色度信号加到亮度信号上，这对兼容是很有利的。（4）平衡调幅的包络不再是原来的调制信号，因此不能用普通检波检出原调制信号。（5）只有在原载波的正峰点对平衡调幅波取样，才能得到原来的调制信号。同步检波正是在副载波正峰点时刻对平衡调幅波进行取样。

四、色同步信号

同步检波的关键在于在接收端产生一个与发端副载波同频同相的本地副载波。为此，发端必须发送一个色同步信号，以便用它去锁定接收机的本地副载，使其与发端副载波同频同相。

色同步信号是一串频率等于副载频的高频振荡，它只有8～10个周期，放置在行消隐的后肩上，在均衡脉冲和场同步期间不发色同步信号，其波形如图

[Page]3.3-3所示。它们的频率和相位均保持恒定，NTSC制的色同步相位ψ＝180°，其表达式为：

为什么要把色同步的初始相位选在180°？当接收机中的行消隐脉冲的幅度不够

时，色同步信号将在屏幕的左端产生明显的垂直干扰。理论分析和初中表明：当ψ＝180°时，干扰幅度最小，且干扰颜色为不太明显的绿色（见参考文献3，P.286.）。

3.3.2 色度信号幅度的压缩

一、色度信号压缩的原因

将色度信号、色同步信号、亮度信号Y、复合同步S和复合消隐信号BL相混合就得到彩色全电视信号为：

其中，

称为彩色图象信号。现以100－0－100－0彩条为例，计算出各种彩条信号的动态范围（Y±C），如表3－7所示。

表3－7 100－0－100－0已调彩条信号的范围

色 别

Y

R－Y

B－Y

C

Y+C

Y－C

白

黄

青

绿

品

红

蓝

黑

1

0.89

0.70

0.59

0.41

0.30

0.11

0

0

-0.11

-0.7

-0.59

0.59

0.70

-0.11

0

0

-0.89

-0.3

-0.59

0.59

0.30

0.89

0

0

0.9

0.76

0.83

0.83

0.76

0.90

0

1

1.79

1.46

1.42

1.24

1.06

1.01

0

1

-0.01

-0.06

-0.24

-0.42

-0.46

-0.79

0

根据表3－7画出彩条全电视信号，如图3.3－4所示。从图中可以看出，黄条和青条信号已分别超过白色电平的79％和46％，而蓝条和红条信号也分别比黑电平低79％和46％。换言之，彩条视频信号中会出现“比白还白”和“比黑还黑”的电平。可见，彩条信号的峰峰值已远远超过黑白电视信号的标准；如果用这种信号去对图象载波调幅，在负极性调制中“比白还白”的电平就要引起严重的过调制现象，从而引起彩色畸变和伴音中断。“比黑还黑”的电平可能产生限幅，从而引起图象亮度失真；另外，“比黑还黑”的电平还要破坏接收机的同步。因此，必须对这种彩条视频信号进行压缩。如果同时对亮度信号和色度信号进行压缩，虽然保证了彩色信号的不失真传送，但亮度信号的幅度也变小，造成兼容黑白图象变坏，发射机也没有充分利用。因此，通常保持亮度信号幅度不变，只对色度信号进行压缩。

二、色度信号压缩的要求

如果对色度信号压缩过多，将会过多地降低彩色信杂比，它的抗干扰能力变差。实验表明：当彩条信号的最大和最小电平不超过白色和黑色的±33％时，才是比较合适的。因为，在一般的彩色节目中，具有高亮度高饱和度的彩色出现的时间很少，（比如为1％）。因此，在100％到133％的白电平区间内，对发射机过调制并不严重；少量到达0％至－33％范围的电平，虽已落入同步电平范围内，但对接收机的正常工作未发现有什么大影响，因为现代接收机均采用锁相式的行同步电路。

在发送端对色度信号幅度进行压缩，在接收端对色度信号幅度压缩的倍数再设法补回来，就可恢复Y、B－Y和R－Y正确比例关系，从而实现了彩色的无失真传送。

三、压缩系数的计算

令压缩后色差信号为、，根据彩色视频信号的最大和最小电平不超过133％和－33％的条件，可选择彩条中不为互补色的两条（例如黄、青或红、蓝等），按上述条件建立两联立方程。若为互补色，则两方程不是相互独立的。若取黄、青条计算，则有以下联立方程：

黄

将表3－7中所列有关数据代入上列方程得：

k1=0.439 ，k2=0.877

所以

压缩后的色度信号为：

3.3.3 波形图与矢量图

根据式（3.3-6）至式（3.3-9），计算出100－0－100－0彩条信号经压缩后的色差信号、色度信号和复合信号的有关数据，如表3－8所示。由此画出色度信号两分量、色度信号和彩色全电视信号波形图，如图3.3-5所示。根据各彩条信号的C和θ值作出彩条矢量图，如图3.3-6所示。

表3－8 100－0－100－0彩条信号

经的色差信号、色度信号和复合信号数据

色 别

 　 　 　 　 　

白

黄

青

绿

品红

红

蓝

黑

1

0.89

0.7

0.59

0.41

0.30

0.11

0

0

-0.438

+0.148

-0.29

+0.29

-0.148

+0.438

0

0

+0.096

-0.614

-0.157

+0.157

+0.614

-0.096

0

0

0.447

0.635

0.593

0.593

0.635

0.447

0

无

167.1·

283.4·

240.8·

60.8·

103.5·

347.4·

无

[Page]

对于100-0-75-0彩条，表3-8各信号的幅度除白条外均乘以0.75，而色度信号的相角θ数值则不变。此时,彩色全电视信号黄/青条的最大值将为1.33×0.75＝1，即与白条为同一电平。

从彩条矢量图可以看出NTSC制的色度信号具有下列重要性质：

（1）不同的色调具有不同的相角，不同的饱和度具有不同的幅度。一般可以认为色调主要由色度信号的相角来体现，而饱和度主要由色度信号的幅度来体现。

（2）基色矢量和补色矢量的相角互补。例如红色矢量的相角为103°，而青色矢量的相角为283°等。

（3）白色和各种灰色的色度信号等于零，它们可以认为是饱和度等于零的色。

另外，B－Y或U称为蓝色差信号，R－Y或V称为红色差信号。图3.306中的横轴和纵轴分别称为蓝色差轴和红色差轴，一切彩色矢量的相角都是以横轴（U）轴为基准来衡量的，红色矢量和蓝色矢量并不分别与红色差矢量和蓝色差矢量相重合，它们分别代表四种不同的色调。

3.3.4 Y、I、Q制

采用I、Q制是希望进一步压缩色度信号的频带。因为色差信号（B－Y）和（R－Y）的理论频带为1.5MHz，故用双连带传送色度信号则占3MHz的频带宽度。对于每帧扫描525行、视频带宽为4.2MHz的制式来说，亮度和色度信号的频带重迭过宽，相互干扰严重。因此，有必要进一步压缩色度信号的带宽。

所谓I、Q制就是用色差信号I、Q分别代替色差信号V和U，并且色差信号I分量用上边带0.5MHz、下边带1.5MHz的残留边带方式传送，Q分量用双边带（±0.5MHz）传送，它们仅与亮度信号重迭2MHz，如图3.3-7所示。从而减轻了亮、色之间的干扰。同时也减轻了色度信号I和Q之间的干扰。

在矢量图上，I、Q信号分别由V、U信号逆时针旋转33°而得到，如图3.3-8所示。它们之间的关系是：

根据亮度方程以及U、V与R、G、B之间的关系，不难求出Y、I、Q与R、G、B之间的关系式：

根据式（3.3-10）可计算并画出100－0－100－0彩条信号所形成的Q和I信号的数据与波形图，如图3.3-9所示。

Y、I、Q制的产生是基于人眼的视觉特性。因为人眼对I轴附近红、黄之间的颜色比较敏感，故I信号用宽频带1.5MHz传送；而对于Q轴附近的蓝、品之间的颜色分辨力较弱，故用窄带0.5Mhz传送。

在NTSC制中，上述亮度和色度重迭过宽的矛盾，似乎可采用两个不对称的u、v色度信号来解决。但由于任何不对称边带的色度信号在同步解调时，会造成u、v信号之间的相互干扰，即存在“正交串色”；因此，在NTSC制中，不能采用两个不对称连带的u、v色度信号来解决亮度与色度信号重迭过宽的矛盾，而只能采用Y、I、Q制。

关于“正交串色”可用图3.3－10来解释：设，在对称边带情况下，平衡调幅波的两个边频分量可用等长度的、以角速度Ω相对旋转的两个矢量来表示，它们在DU轴上的投影之和等于零，即U信号的同步检波器不输出V信号。但在不对称边带情况下，两个旋转矢量的长度不相等，它们在DU轴上的投影之和不再等于零，即在U信号检波器的输出中混有V信号，从而引起“正交串色”。

尽管在Y、I、Q制中，I信号的高频部分（0.5～1.5MHz）也以单边带传送，使上、下边带合成的I信号在Q轴的投影不为零，这样I 信号串入Q信号，也会引起正交串色。但是，这种串色发生在I信号的高频部分，因此，对窄频带的Q信号影响不大。

Y、I、Q制中的色度信号表达式为：

在Y、I、Q制中，色同步信号和色度信号的动态范围与Y、U、V制相同。

　

3.3.5 NTSC制的编码器和解码器

一、编码器

NTSC制的编码器如图3.3-11所示，其任务是将摄象管输出的三基色信号R、G、B编成一个带宽和幅度与黑白电视信号相同的彩色全电视信号。它主要由矩阵电路、亮度通道、色度通道，副载波形成电路和混合放大器组成。

矩阵电路的作用是将信号R、G、B线性组合成Y、I、Q信号。在亮度通道中，矩阵电路输出的Y信号，先送到消隐器混合器与同步机送来的消隐脉冲（BL）混合，再送到延时均衡电路，这是因为当色差信号经过低通滤波器会产生延迟，导致屏幕上的黑白图象和彩色图象不重合产生颜色涂偏的现象。因此必须将[Page]Y信号加以延迟使其和色差信号在时间上完全一致，然后再送入视频混合放大器。

由于I、Q信号分别经过1.5MHz和0.5MHz的低通滤波器，所以I信号也要加以延时，使其与Y、Q在时间上保持一致。然后I、Q信号分别进入各自的平衡调幅器，产生已调色度信号I、Q。

同步机中的副载波形成电路能送出33°、123°、180°的副载波，分别供给Q调制器、I调制器和色同步平衡调制器使用。第三个调制器的调制信号是＋K脉冲，已调波是色同步信号；前两个调制器的输出相加得到色度信号。

最后，再将Y、、以及同步机送来的复合同步信号S脉冲混合，组成供调制图象载波用的彩色全电视信号。

二、解码器

NTSC制的解码器如图3.3-12所示。其任务是从彩色全电视信号中分离出三基色信号R、G、B供彩色显象管使用。解码是编码的逆过程。相对应地解码器也主要由亮度通道、色度通道、副载波恢复电路和矩阵电路所组成。

亮度通道的作用主要是对亮度信号进行延迟和陷波，延迟的目的是使Y、I、Q在达到的时间上保持一致；正因为如此，在I通道中还接有与Y通道中不同延时的延时线。副载波陷波器的作用是为了抑制色度信号对亮度信号的干扰。

通过门电路从全电视信号选出色同步信号，用来恢复确定副载波相位，经过锁相副载波恢复电路可输出相位为33°和123°的副载波，供Q、I同步检波器使用。

色度信号由带通滤波器从全电视信号中选出，同时进入I、Q两个同步检波器。由于它们解调的副载波相位不同，分别为33°和123°，故两个检波器能分别输出色差信号Q和I。

最后由矩阵电路将Y、I、Q线性变换成R、G、B信号供显象管使用。

3.3.6 副载频的选择与亮色相互干扰

一、副载频的选择原则

1. 为使亮度和色度信号的频谱间距最大，有利于频谱交错，副载频采用半行频偏置，即

式中n为整数，在这些频率点上亮度信号的能量趋近于零。

2.为了减轻副载波对亮度的干扰，应尽量使副载频选在视频信号的高端。副载频越高，其干扰亮度的光点越细，愈不易被人眼察觉；另外，还能使色度和亮度信号的主要能量分别位于视频的高、低两端，从而减轻两者的相互干扰。

3.色度信号上连带（约1.5MHz）的边界值不能超过视频信号的带宽（6MHz），故副载频应低于4.5Mhz。

4.考虑到可能出现伴音载波和副载波的差拍干扰，所以还要求两者的差频也等于半行频的奇数倍；另外，副载波应和行频保持最简单的分频关系，从而有利于同步机电路的实现。通常要求（2n－1）是若干较小质数之乘积。例如通常取n=228，284等。若n=284，则。

根据上述原则，对于625行、50场扫描制式的副载频fs，它选n=284计算得

。

二、色度信号对亮度的干扰

色度信号是以平衡调幅波的形式迭加在亮度信号上传送的。色度副载波的起伏变化使正常亮度发生相应的变化，对应副载波的正、负峰点，屏幕上将出现亮暗相同的干扰光点。下面讨论干扰光点的图样。

为了简单起见，假定平衡调幅波是一频率等于副载频的正弦波。由于副载波的作用，会使光栅一行的亮度从一端到另一端按正弦规律起伏变化，如图3.3-18（a）所示。黑白光点看作是正弦波的正、负峰值所产生，根据副载频与行频的关系，画出相继各行上的光点相对位置，就可确定干扰光点组成的图样。

三、亮度串色

亮度信号和色度信号共用频带，不仅色度信号对亮度产生光点干扰，而且亮度信号也会对色度产生干扰，称为亮度串色。产生亮度串色的原因是位于色度通频带内的亮度信号，能顺利地通过色度带通滤波器，经同步检波后，变成低频信号，在屏幕上产生附加的彩色干扰。下面讨论频谱交错条件下的亮度串色规律。为分析简易起见，色差信号选用U和V，而不选用I和Q。由于处于色度通频带内的亮度信号能量，主要集中在mfH处，故现以其中亮度的任一频率成分为例，当它进入U检波器后，解调输出将为：

经过低通消除后一项所代表的高频分量后，得到U通道输出的亮度串色分量为：

同理，可求出V通道输出的亮度串色分量为：

将亮度串色以矢量表示，其模和幅角分别为：

（3.3-15）

所以亮度串色为

当采用半行频偏置后，

，又，

故

由于m-n为一整数，所以当t变化一个行周期（TH）时，相角θ将改变整数倍再增加180°。这就是说，在同一场内两相邻行的对应位置上总是出现一对互补色的彩色干扰。另外，一帧包含奇数行，每经一帧时间的亮度串色矢量也是改变了整数倍再增加180°，所以在屏幕的同一点，相邻两帧的亮度串色为互补色。

综上所述，NTSC制在频谱交错后，由于干扰光点（亮度串色）存在行间相消（补）和帧间相消（补）的规律，所以，亮度和色度信号之间的相互干扰大为减轻。这种时域分析法和前面的频域分析法相吻合。

3.3.7 NTSC 制的主要性能

一、NTSC制的主要优点

NTSC制根据人眼的视觉特性，应用色度学原理和电子电路技术第一个成功地实现了兼容性彩色电视广播。从此，人类进入了彩色电视广播的新时代。它与PAL制、SECAM制相比较，其主要优点有：

1.NTSC制的色度信号组成方式最简单，最易于进行信号处理，比如数码化，亮度与色度分离等。同时，NTSC制的接收机、电视中心设备和录象设备最简单，成本最低。

2.亮度信号和色度信号的频谱间距最大，兼容性好，亮度串色和色副载波干扰光点最小。

3.无行顺序效应（即爬行现象）和亮度闪烁现象。这是因为NTSC制每一行对亮度信号和色度信号的处理和传送方式相同，而PAL制和SECAM是逐行变化的，故引起行顺序效应。

4.演播室进行图象慢转换（淡出一淡入）、切换、混合等特技操作比较方便。

5.在没有信号失真的情况下，它有较高的图象质量，如具有较高的彩色水平和垂直清晰度。

二、NTSC制的主要缺点

最主要的缺点是色调的相位敏感性严重。

在彩色电视信号传输出过程中，亮度信号、色度信号的相位和幅度不可避免地会产生传输出误差，从而导致彩色在亮度、色调和饱和度三方面的失真。其中人眼对色调失真最为敏感，特别是人们经常遇到的一些颜色，如人的皮肤色、蓝天等。例如，当屏幕上演员的脸部由正常肤色变成绿色或红色，看起来特别刺眼。亮度失真主要影响图象的灰度层次，饱和度失真主要影响颜色的深浅。相对于色调失真而言，人眼对亮度失真、饱和度失真是不敏感的，因此在彩色电视传送过程中要尽量减少色调失真。

前面曾经提到人眼对亮度细节的分辨力高于对彩色细节的分辨力，所以当观察亮度杂波时，比观察彩色杂波敏感。这是人眼对高频彩色图象信号存在的视觉特性。这里提到的人眼对色调失真比对亮度失真敏感，是指人眼对视频低端（小于1.3MHz）彩色图象信号存在的视觉特性，两者不可混淆，不是同一码事，不存在什么矛盾。正是因为如此，人们才提出高频混合原理，彩色的低频部分必须由三基色组成，而彩色的高频部分采用同一亮度信号来代替。

色度信号的相位失真将导致色调失真，而产生相位失真的主要原因有三方面：

1.微分相位的影响

NTSC制的色度信号是迭加在亮度信号上一起传送的，色度信号相对于亮度信号的幅度，确定了被传送色的饱和度。色度信号相对于色同步信号的相位，确定了被传送色的色调。当亮度信号电平发生变化，会使色度信号在晶体管或电子管特性曲线上来回移动，随着亮度电平的高低变化，色度信号的相位和幅度将会产生失真，它们分别称为微分相位失真和微分增益失真。产生微分增益失真的原因：因为电视系统为一非线性系统，随着亮度电平的高低变化，色度信号幅度的放大倍数不能保持恒定，而产生增益失真。产生微分相位失真的原因：接收机的解调副载波都是以色同步信号的相位作为基准的，因此色度信号与色同步信号相位差决定了被传送色的色调。例如设被传送色是红色，其相角为103°，为了使其色调不失真，则色度信号和色同步信号的相位差φ应保持恒定，即φ＝77°，如图3.3-14所示。由于色同步信号总是于消隐电平上，而色度信号位于不同的亮度电平上，故两者通过非线性系统后，产生了不同的相位移，使两者的相位差发生变化，等于φ＋Δφ。例如，对被传送的红色，其色调就可能变成红色偏紫或红色偏黄，使色调出现失真。

微分相位失真不能用简单办法进行补偿。因为，它是随亮度电平的不同而变化的，实验表明要使人眼觉察不出色调失真，必须使相位失真不超过±5°，而当相位失真超过±12°。人眼察觉饱和度失真不如色调失真那样敏感。实验表明，当色度信号幅度变化达±15％时，可察觉出饱和度失真，当其幅度变化超过30％时，人眼对饱和度的失真将不能允许，因此，NTSC制规定微分增益容限为±30％。

2.不对称边带的影响

传输出系统频率特性不良，会使对称边带的色度信号变成不对称边带的信号，色度信号一旦出现不对称边带，就会产生“正交串色”，使色度信号产生相位失真。

3.多径接收的影响

由于高层建筑和地形的影响，电视机接收到的电波，既有直射波，也有经过一次或者多次反射的反射波。反射波的存在会使传输出通道的频率特性发生变化，从而导致色度信号的相位和幅度的失真。

总之，色度信号的相位失真是不可避免的，前面已经指出，微分相位的容限为±12°，从电视台的中心编码器直到电视机的解码器，要求达到这样的指标是很困难的，NTSC制的主要缺点就在于此。